近日，国家纳米科学中心赵慎龙课题组在MOFs电极的规模化制备及电解水应用方面取得重要突破。相关研究成果“Scalable metal−organic framework−based electrodes for efficient alkaline water electrolysis”以封面文章发表在《自然−化学工程》（Nature Chemical Engineering,2025,DOI: 10.1038/s44286-025-00262-2）期刊上。

 氢气作为一种重要的化学能源载体，凭借其高能量密度、零碳排放和高转化效率等优势，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。基于此，赵慎龙课题组前期在高效电解水及海水电极材料开发方面取得了一系列研究进展（Nat. Energy. 2016,1,16184;Nat. Energy. 2020,5,881;Nat. Commun. 2023,14,2574;Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202302795;Nat. Commun. 2023,14,818;Nat. Commun. 2023,14,2475;J. Am. Chem. Soc. 2025,147,5,3994;Matter. 2025,8,102091等）。

 最近，赵慎龙课题组通过室温电沉积规模化制备工艺，实现了分钟级快速合成400 cm²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4.11 kWh Nm⁻³ H₂的电解能耗，且能够实现长达5,000小时的稳定运行。实验表明，所制备的MOFs 电极优异性能源于Ce掺杂构建的双金属结构所赋予的独特理化性质。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，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、稳定性与成本的协同突破。

 本研究通过多维度先进表征与理论计算，不仅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，还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电催化剂的实际应用提供了重要理论支撑。未来，研究团队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。

国家纳米科学中心赵慎龙研究员为论文独立通讯作者，联合培养博士生郭英杰和特别研究助理石磊为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。     

钴铈金属有机框架电极结构及碱性电解水系统

   原文链接:https://doi.org/10.1038/s44286-025-00262-2