近日，我院何纯挺教授带领的分子基能源化学（LMEC）团队在国际顶级期刊Nature Communications上发表题为“Microbial-Vulcanized Organic-Inorganic Dual-Modulated Cobalt Hydroxide for Oxygen Evolution Reaction”的研究论文，报道了该团队在分子增强电催化研究中的最新进展。何纯挺教授为论文唯一通讯作者；江西师范大学为论文第一完成单位；该研究工作得到了国家自然科学基金、国家级人才培养项目、江西省自然科学基金的资助。
可持续水电解、可充电金属空气电池和二氧化碳还原系统等新型能量转换技术，是实现碳中和目标的关键路径。然而，这系列创新技术的核心电化学过程析氧反应（OER）因为复杂的多电子转移与缓慢动力学，严重制约了相关技术的产业化推进。目前广泛使用的贵金属基催化剂虽然具备较高活性，却面临资源稀缺、成本高昂及稳定性不足等挑战。尽管非贵金属催化剂如氢氧化钴具有潜力，但其本征催化活性和稳定性仍需进一步优化，以满足工业级电流密度下长期高效运行需求。针对上述挑战，何纯挺教授团队从改变催化反应路径的思路出发，创新性地提出了一种有机-无机双调控策略，显著地刷新了传统Co(OH)2的催化性能。并且，提出了一种环境友好的微生物硫化MOF技术，实现了有机分子和无机阴离子组分在金属氢氧化物中均匀的插层掺杂。该研究不仅突破了传统掺杂方法对几何与电子结构调控的局限，还首次在实验与理论层面揭示了硫与2-甲基咪唑（MI）在催化过程中的协同增强机制。
研究团队以ZIF-67（一种原料来源广且合成简便的钴基MOF材料）为前体，利用希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）在温和条件下引发结构转化，同步引入无机硫离子与有机MI分子，构建了原子级S与MI共掺杂的Co(OH)2（即MEC-17）。该合成方法避免了传统S掺杂常用的高温高压条件以及有毒含硫气体的排放，可以方便地进行批量化制备，并且细菌在反应后仍可回收利用，具备良好的环境友好性与经济性。实验室估算其成本仅为商用RuO2的约1/227，展现出良好的产业化潜力（相关技术已申报发明专利）。MEC-17在OER中表现出优异的催化活性与稳定性。在多孔泡沫基底上，仅需285.6 ± 1.7 mV的过电位即可驱动1000 mA·cm⁻2的工业级电流密度，并在阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）中稳定运行超过300小时未见显著性能衰减，展现出强大的应用潜力。通过多种原位光谱技术与理论计算，研究团队揭示了MEC-17的高效催化机制：硫掺杂主要缩短Co−Co原子间距，促进O−O自由基耦合，推动反应路径由传统的吸附演化机制（AEM）转向不依赖标度关系的氧化物路径机制（OPM）；MI分子则通过调控钴位点的d带中心，优化相邻含氧中间体的吸附行为，进一步提升电子转移效率。二者协同作用，实现了催化剂几何结构与电子结构的双重优化，显著降低了反应能垒，加速了OER动力学。
该研究开发出一种高性能、低成本、环境友好的OER电催化剂，展示了微生物辅助合成技术在先进纳米材料制备中的巨大潜力。同时，还构建了一种有机-无机双调控的催化模型，为绿氢制备等新能源技术的发展提供了更富想象力的材料设计平台。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65807-8
Nature Communications, 2025, 16, 10766
[三审三校：章 佳 胡晓玉 熊 斌]
