大規(guī)模水電解有望將可再生電能轉(zhuǎn)化為清潔的氫能。使用海水作為原料進行電解水為可再生的氫氣生產(chǎn)提供了一個更加可持續(xù)的策略，同時可產(chǎn)生NaCl副產(chǎn)品。然而，海水中大部分鹽是NaCl (約0.5 M)，這導(dǎo)致在陽極側(cè)發(fā)生催化劑腐蝕和Cl^?氧化競爭反應(yīng)，嚴(yán)重阻礙了海水電解商業(yè)化應(yīng)用。因此，實現(xiàn)高效和持續(xù)的海水電解需要一個高活性和選擇性的陽極，能夠在高濃度Cl^?存在下工作。

以往海水電解催化劑的設(shè)計大多集中在禁止Cl^?在催化劑上吸附，但是，這也削弱了OER中間體的吸附，降低了OER的活性。此外，在高過電位(即高電流密度)時，由于Cl^?吸附的驅(qū)動力增強，排斥Cl^?的策略變得不太有效。

近日，北京化工大學(xué)孫曉明、香港城市大學(xué)劉彬和深圳清華大學(xué)研究院鄺允等設(shè)計了一種以CoFe層狀雙氫氧化物(Ir/CoFe-LDH)為載體的原子Ir催化劑，用于電化學(xué)海水氧化。與傳統(tǒng)催化劑完全排斥Cl^?吸附不同，CoFe-LDH上的Ir原子位點允許Cl^?吸附來調(diào)節(jié)Ir活性中心的電子結(jié)構(gòu)。

結(jié)果表明，Ir/CoFe-LDH催化劑在堿性海水電解中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER性能，當(dāng)電流密度為10 mA cm^?2時，過電位低至202 mV，比在NaOH溶液中低34 mV；同時，Ir/CoFe-LDH在工業(yè)電流密度下(0.4-0.8 A cm^?2)具有顯著的活性，O₂法拉第效率接近100%，并可穩(wěn)定運行1000 h以上。此外，在實際海水中，該催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的過電位為208 mV，在1 A cm^?2電流密度下可穩(wěn)定運行2000 h以上。

原位光譜表征和理論計算表明，Ir/CoFe-LDH催化劑在海水中的優(yōu)異OER性能來源于在Ir上Cl和OH配位態(tài)的動態(tài)調(diào)控。這種氯化物介導(dǎo)的配位增強促進了*OOH中間體的強烈吸附，從而將速率決定步驟(OOH*的形成)的活化能降低了1.93倍。同時，在Ir的存在下，Cl不能有效地吸附在Co或Fe上，因此強烈的Ir-Cl配位抑制了Cl與Co和Fe金屬中心的配位，穩(wěn)定了CoFe中心，從而保證了海水電解體系的穩(wěn)定性。

綜上，該項研究不僅展示了Ir/CoFe-LDH在海水電解中的巨大潛力，而且提出了一種調(diào)控海水環(huán)境中單原子Cl配位的新策略，突破了海水電解能耗和成本的極限，推動了該技術(shù)的實際應(yīng)用。

Dynamic chloride ion adsorption on single iridium atom boosts seawater oxidation catalysis. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46140-y