类型a：学术研究报告

主要作者及机构
本研究的通讯作者包括Xinjun Wang（河南师范大学化学与化学工程学院）、Xiaolei Wang（阿尔伯塔大学化学与材料工程系）、Qing Zhang与Zhengyu Bai（河南师范大学）。研究团队来自中国河南师范大学绿色化学介质与反应教育部重点实验室及加拿大阿尔伯塔大学。论文发表于*Journal of Colloid and Interface Science*，2026年1月刊，卷703，文章编号139181。

学术背景
本研究聚焦于碱性海水电解（alkaline seawater electrolysis）中的析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER），这是可持续能源转换系统的关键半反应。海水电解因淡水稀缺和能源成本问题备受关注，但OER的多步去质子化过程及海水中Ca²⁺、Mg²⁺的干扰会导致催化剂界面OH⁻浓度下降，进而增加反应能垒。传统层状过渡金属材料（如MOFs）虽具有可调控的层间距，但层间氢键（H-bond）网络会阻碍OH⁻的吸附与传递。为此，研究团队提出利用六钽酸盐簇[Ta₆O₁₉]⁸⁻（{Ta₆}）作为氢键受体（H-bond acceptor, HA），重构催化剂界面氢键网络，以提升OER效率。

研究流程
1. 材料合成与表征
- MOF制备：以1,4-苯二甲酸（BA）和2-氨基对苯二甲酸（ATA）为有机配体，Ni(NO₃)₂为金属源，通过溶剂热法在泡沫镍（NF）上生长层状Ni-MOF（MOF/NF）。
- {Ta₆}簇引入：通过静电作用将{Ta₆}插入MOF层间，形成MOF-Ta6/NF。表征手段包括SEM、XRD、TEM、AFM和BET比表面积分析，证实{Ta₆}扩大了层间距（9.63 Å→9.72 Å）并增加了比表面积（0.96→1.70 m²/g）。
- 电化学活化：通过20圈循环伏安（CV）活化，MOF-Ta6/NF部分重构为无定形Ni(OH)₂/NiOOH活性物种（r-MOF-Ta6/NF）。

1. 界面氢键调控机制验证

   • Operando ATR-SEIRAS：原位红外光谱显示{Ta₆}将4配位氢键水/OH⁻（4HB·H₂O/OH⁻）转化为2配位形式（2HB·H₂O/OH⁻），释放更多游离OH⁻。
     
   • TOF-SIMS：深度剖面分析证实r-MOF-Ta6/NF中NiOH⁻和NiOOH⁻浓度更高，表明重构程度更深。
     

2. 电化学性能测试

   • 三电极体系：在1.0 M KOH海水中，r-MOF-Ta6/NF的过电位（235 mV@10 mA/cm²）和塔菲尔斜率（80.5 mV/dec）均优于对照组（r-MOF/NF：280 mV, 86.3 mV/dec）。
     
   • AEM电解槽：在工业级电流密度（≥200 mA/cm²）下稳定运行195小时，优于多数文献报道的催化剂（如RuO₂/NF仅120小时）。
     

主要结果
1. 氢键网络重构：{Ta₆}通过其高Gutmann供体数（DN）破坏MOF层间及电解质界面的氢键网络，增加游离OH⁻浓度。
2. 电子结构调控：Ta⁵⁵的空5d轨道接受Ni的电子，优化Ni活性中心的eg轨道填充，降低*OH→*O的能垒（通过甲醇氧化反应探针证实）。
3. 抗腐蚀性能：UV-Vis光谱显示{Ta₆}抑制了Cl⁻氧化副反应（ClER），O₂产率（2.0×10⁴ ppm）显著高于对照组。

结论与价值
本研究提出了一种界面氢键工程策略，通过多金属氧酸盐（POMs）调控催化剂微环境，解决了海水电解中OH⁻供给不足的核心问题。其科学价值在于：
1. 机制创新：揭示了氢键网络对OER动力学的调控作用，为设计高效电解催化剂提供了新思路。
2. 应用潜力：r-MOF-Ta6/NF在工业级电流下的稳定性为海水制氢技术的商业化铺平了道路。

研究亮点
1. 新颖的催化剂设计：首次将{Ta₆}簇作为氢键剪刀应用于MOF层间工程。
2. 多尺度表征结合：从分子层面（Operando ATR-SEIRAS）到宏观性能（AEM电解槽）全面验证机制。
3. 跨学科融合：融合了配位化学（POMs）、材料科学（MOFs）及电化学（OER）的前沿技术。

其他价值
研究还对比了其他POMs（如{Mo₆}、{W₆}）的效果，证明{Ta₆}的碱性稳定性和电子调控能力具有不可替代性，为后续POMs基催化剂开发提供了参考。