高效的海水氧化反应对于推进氢燃料生产至关重要。开发遵循晶格氧机制（LOM）的高效析氧反应（OER）催化剂，可以有效缓解海水电解中不理想的氯氧化副反应，并降低能耗。
2025年6月4日，北京化工大学孙晓明、周道金，香港城市大学刘彬，清华大学深圳国际研究生院邝允在国际期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为《Lattice Oxygen Mechanism Induced on Nickel Sites by Cl– Adsorption for Efficient Seawater Oxidation Reaction》的研究论文，Qihao Sha为论文第一作者，孙晓明、周道金、刘彬、邝允为论文通讯作者。
在本文中，作者提出了一种Cl–介导策略，能够在镍（Ni）位点上将OER机制从吸附物进化机制（AEM）转变为LOM。
通过在Ni基的前驱体（例如，NiSe、Ni(OH)2、NiS2和NiSOH）上负载高度分散的铱（Ir），利用Ir与海水中Cl–的之间的强配位相互作用，构建了一个从Ni到Cl的Cl–-Ir-O-Ni电子吸引链。
在OER过程中，该链能够原位增强Ni-O的共价性，从而激活海水中Ni位点周围的晶格氧。因此，经Cl–修饰的Ir/NiOOH-Se@Cl催化剂仅需313 mV的超电势就能达到0.5 A cm-2的OER电流密度，与碱性条件下的Ir/NiOOH-Se@OH相比，Se@OH降低了147 mV，且在0.5 A cm-2的电流密度下稳定运行500 h。
本工作为调控局部晶格氧活性、开发用于清洁能源生产的高效氧电催化剂提供了一个新思路。
图1：a）：电子吸引链（Cl–-Ir-O-Ni）的制备过程；b）：XRD图谱表明制备过程中没有形成Ir纳米颗粒，Ir高度分散在NiSe上；c）：SEM图像显示，经过电化学负载Ir后，PC-Ir/NiSe呈现出纳米片结构；d）：AC-HAADF-STEM图像看出Ir单原子在NiSe上的高分散性，表现为晶格散射中的亮点，进一步证实了Ir的高度分散；e）：元素分布图显示了Ir、Ni、O和Se在催化剂中的均匀分布。
图2：a）：极化曲线表明Cl–的加入显著提高了催化剂的OER性能；b）：过电位比较表明Ir/NiOOH-Se@Cl显示出显著的性能提升；c）：极化曲线进一步展示了Ir/NiOOH-Se@Cl在海水电解条件下的优异性能；d-f）：原位拉曼光谱看出随着Cl–浓度的增加，催化剂从α-Ni(OH)2相逐渐转变为γ-NiOOH相，表明Cl–促进了γ-NiOOH活性相的形成，降低了其形成能垒；g-h）：原位拉曼光谱表明Cl–的存在显著促进了活性相的生成；i）：拉曼峰面积比证实了Cl–在促进γ-NiOOH活性相形成中的关键作用；j）：计时电流测试表明，Ir/NiOOH-Se@Cl在海水电解条件下具有更好的稳定性和更高的电流响应。
图3：a-b）：原位拉曼光谱测量显示，Ir/NiOOH-Se@Cl在较低电位下迅速实现了晶格氧的参与和γ-NiOOH的形成，而Ir/NiOOH-Se@OH则表现出更高的晶格氧活化能垒；c-d）：DEMS信号显示，Ir/NiOOH-Se@Cl在OER过程中产生了显著的34O2和36O2信号，表明晶格氧参与了反应；e）：O2同位素比值进一步证实了Cl–在促进LOM中的关键作用；f-g）：原为拉曼光谱可以看出随着电位的增加，Ir/NiOOH-Se@Cl中Cl–与Ir的吸附平衡被打破，而Ir/NiOOH-Se@OH中的Ir-Cl配位则逐渐被OH–取代；h）：极化曲线表明TMA+抑制了LOM路径；i）：Ir/NiOOH-Se@Cl在1.6-1.95 V的电位范围内保持了约46.0%的稳定LOM贡献，而Ir/NiOOH-Se@OH主要遵循AEM路径；j）：Ir 4f XPS谱图表明Ir/NiOOH-Se@Cl中Ir的氧化态更高；k）：Ni 2pXPS谱图表明Ni在OER过程中可以被氧化到+4价，并在反应后弹性恢复到初始价态。
图4：a）：Cl–介导的电子吸引效应在不同的镍基催化剂上激活LOM的示意图；b）：极化曲线显示Ir/NiOOH-S1@Cl在海水电解条件下表现出比Ir/NiOOH-S1@OH更低的过电位；c）：极化曲线进一步验证了Cl–在不同镍基催化剂上的普适性；d）：准原位EPR光谱表明Ir-Cl配位显著增强了Ni位点对OH–的吸附能力；e-f）：Ir/NiOOH-Se@Cl能够稳定运行超过500h，几乎没有活性下降，表现出优异的稳定性。
综上，作者提出一种Cl–介导的策略，通过在Ni基催化剂上负载高度分散的Ir，利用Ir与海水中Cl–之间的强配位相互作用，构建了一个从Ni到Cl的电子吸引链（Cl–-Ir-O-Ni）。
从而在海水电解过程中激活镍位点周围的晶格氧，实现了从吸附物进化机制（AEM）到晶格氧机制（LOM）的转变，显著提高了海水电解的效率。
为调控局部晶格氧活性提供了全新的概念，展示了利用海水中通常被视为有害的Cl–来调节电催化剂的配位环境，从而激活LOM的新方法。
本策略显著提高了海水电解的效率和稳定性，有望推动海水电解技术的大规模应用，为绿色氢能源的生产提供一种经济、高效且可持续的解决方案。
Recent Advances in Metal Chalcogenide Catalysts for Electrochemical Carbon Dioxide Reduction, J. Am. Chem. Soc., 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c04206.