氢气作为一种重要的化学能源载体，凭借高能量密度、零碳排放及高转化效率等优势，被视为最具发展潜力的清洁能源之一。电解水制氢是实现“绿氢”经济、推动能源清洁转型的关键途径，而开发高效、稳定且具备规模化应用前景的电解水催化剂是降低能耗与成本、突破产业化瓶颈的关键技术核心。
近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员赵慎龙团队在金属有机框架（MOFs）电极规模化制备及电解水应用方面取得突破。研究人员通过室温电沉积规模化制备工艺，实现了分钟级快速合成400cm2大尺寸MOFs电极，并将其应用于碱性电解水体系。该电极展现出低至4.11kWh Nm−3 H2的电解能耗，且能够实现长达5000小时的稳定运行。实验表明，该MOFs电极的优异性能源于铈（Ce）掺杂构建的双金属结构赋予的独特理化性质，即Ce的引入可通过3d-2p-4f轨道相互作用调控Co的电子结构，从而增强对关键含氧中间体的化学吸附，并显著加速阳极氧析出反应动力学。与传统无机催化剂在高活性与规模化制备难以兼顾的局限不同，CoCe-MOFs电极通过电子结构调控与快速规模化制备策略，实现了效率、稳定性及成本的协同突破。
该研究通过多维度先进表征与理论计算，揭示了金属掺杂对电子结构、反应路径及催化性能的分子级调控机制，并构建了从材料微结构设计到宏观规模化制备的理论桥梁，为MOFs电催化剂实际应用提供了理论支撑。下一步，研究人员将持续探索催化剂工程化放大研究，进一步优化制备工艺与器件集成方案，推动其在大规模绿氢生产中的实际应用。
相关研究成果以Scalable metal−organic framework−based electrodes for efficient alkaline water electrolysis为题，发表在《自然−化学工程》（Nature Chemical Engineering）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会等的支持。
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钴铈金属有机框架电极结构及碱性电解水系统
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