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“Post-Oxidation of All-Organic Electrocatalysts to Promote O−O Coupling in Water Oxidation”的研究论文。论文通讯作者为何纯挺教授和章佳副教授；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、可充电储能装置和二氧化碳还原系统等新型能量转换技术被认为是助力实现碳中和目标的重要举措。但是，其中涉及的核心电化学过程水氧化析氧反应（OER）因其复杂的多电子转移步骤和滞缓的动力学，成为制约这些相关技术产业化的关键瓶颈。目前促进OER的主流电催化剂为贵金属基或者过渡金属基材料，但是仍然受限于稀有金属资源短缺和工况下易腐蚀降解等问题。另一方面，以p电子为特征的无金属电催化剂（或全有机电催化剂）虽然具有环境友好、资源丰富及耐酸碱腐蚀等显著优势，但其OER性能通常与金属基电催化剂相比仍有较大差距。针对上述科学挑战，LMEC研究团队基于多年在分子基材料领域的深耕，创新性地提出以高稳定性共价有机框架为结构基元的催化剂设计新范式。通过精妙的氧化后修饰策略，成功构筑出具有对称双碳活性位点的新型全有机电催化剂，实现了反应机制从常见的吸附质演化机制（AEM）向更高效的氧化物路径机制（OPM）的切换，从而大幅度提升了OER性能。值得一提的是，这是首次在无金属电催化剂中发现OPM过程，显著缩小了这类催化剂与先进金属基催化剂之间的差距。本研究为理解有机基元在电催化中的作用提供了全新视角，为设计高效稳定的新一代电催化材料开辟了新路径。
图1. 全有机电催化剂氧化后修饰促进O−O自由基偶联
该研究团队基于分子工程的设计理念，采用氧化后修饰策略，在碳纳米管支撑的一种苯并双恶唑基共价有机框架上引入含氧官能团，成功合成了一例无金属电催化剂MEC-2。通过一系列的原位表征技术和理论计算证实，氧化后修饰有效增强了催化剂对OH中间体的电子亲和力，同时优化了O中间体的吸附构型与邻近距离，从而促进O−O自由基的直接耦合。因此，MEC-2罕见地遵循OPM机制，并展现出高效的OER催化活性：在10 mA·cm−2电流密度下，本征过电位仅需257.7±0.6 mV，Tafel斜率低至26.3±0.7 mV·dec−1。并且，该催化剂在1.0 A·cm−2大电流密度下连续运行250小时或经历10万次循环伏安测试后仍保持稳定，性能指标显著优于已报道的无金属催化剂，并且可与先进的金属基OER催化剂媲美。
本研究工作首次为无金属电催化剂在OER中O−O直接耦合机制的存在提供了关键证据，并在一定程度上打破了传统认知，即通常认为无金属材料在多相电催化性能方面难以达到先进金属基材料的水平。这一研究进展将为面向可持续工业的全有机电催化剂设计提供前沿视角与有价值的指导。
原文链接：
Nature Communications, 2025, 16, 4389,
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59771-6
[三审三校：章 佳 胡晓玉 钟声亮]
