近日，我院何纯挺教授团队在能源催化领域取得重要进展，相关研究成果以“Engineering all-organic electrocatalysts with asymmetric dual-active sites for uncommon oxygen-evolving pathway”为题，发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。江西师范大学为论文第一完成单位和通讯单位，我校博士后余丽红为第一作者，我校何纯挺、曹黎明和中国台湾同步辐射研究中心何数智为共同通讯作者。
该研究提出一种羟基精准工程化策略，在全有机电催化剂中构筑不对称非金属双活性位点，并由此诱导一种全新的不对称氧化物路径机制（AOPM）。该机制打破了传统氧化物路径机制（OPM）对双活性位点吸附能严苛的平衡约束，同时规避了吸附质演化机制（AEM）固有的线性标度关系限制，从而突破了无金属电催化剂催化析氧反应（OER）的动力学瓶颈，为设计高性能全有机电催化剂开辟了新思路。
长期以来，金属基催化剂凭借独特的d电子构型，在能源转化领域占据统治地位。然而，过渡金属（尤其是贵金属）的高成本与稀缺性催生了对无金属替代品的探索。无金属碳基材料因为资源丰富和结构稳定等优势在电催化水分解中展现出潜力，但其与含氧物种间较弱的p–p轨道耦合和结构无序性使得人们对这类材料活性与机理认知仍十分匮乏。近年来，无金属共价有机框架，作为一种新型的全有机电催化剂逐渐颠覆了“金属中心为高活性唯一来源”的传统认知，并且其周期性有序结构为原子级精准设计和构效关系研究提供了可能性。然而，分子演化机理的阐明与控制仍是重大挑战，亟待理论与实验协同攻关，推动该领域从经验筛选迈向理性构建。鉴于此，何纯挺教授团队创新性地提出分子模块化策略用于设计特定有机活性位点并调控位点极性，有效地改变了催化OER的反应路径，从而大幅度提高了无金属电催化剂的性能。该工作主要进展包括：
（1）首次发现非常规的不对称氧化物路径机制：通过一种分子模块化策略，精确调控晶态有机框架上羟基密度，从而触发新型的AOPM催化路径，其特征在于通过分子内不对称亲核攻击形成*OOH中间体，随后再经过一步质子耦合电子转移过程释放出O2。同步辐射XAS等光谱数据结合密度泛函理论计算表明，羟基官能化诱导有机骨架电荷重排并导致碳原子位点的p带中心下移，从而增强含氧中间体吸附，并激活不对称双活性位点。AOPM路径展现出优异的热力学和动力学优势。
（2）新机制实现了全有机电催化剂性能的突破：所合成的无金属催化剂MEC-3（MEC代表分子基能源化学研究室）在1 A·cm−2电流密度下仅需364.3 ± 4.5 mV的过电位，并在0.5 A·cm−2时稳定催化超过200小时活性无明显衰减。此外，以MEC-3为阳极的阴离子交换膜电解槽仅需1.75 ± 0.02 V的槽压即可获得0.5 A·cm−2的电流密度，并可以持续稳定运行至少260小时，综合性能优于商用贵金属基准材料。
该工作展示了全有机电催化剂中分子演化路径的多样性，突破了长期以来对无金属碳基材料催化OER机理单一性的认知，同时表明其精心设计的有机活性结构能够达到与常规金属基体系相当甚至更优的催化性能，为设计具有实用价值的无金属电催化剂提供了基础性指导。
研究工作得到了国家自然科学基金、江西省自然科学基金等的资助，是我校面向国家“双碳”战略和江西省“1269”行动计划、深耕新能源转化与新材料制备的重要实践成果。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-75304-1
[三审三校：何纯挺 胡晓玉 梅 云]
