第一作者：张议洁（2022级博士研究生，现入站天津大学博士后）
通讯作者：李晋平教授，韩晓鹏教授，刘光教授
通讯单位：太原理工大学，天津大学，怀柔实验室山西研究院
论文DOI：10.1038/s41467-026-76946-x
1、 全文速览： 阴离子交换膜电解水（AEMWE）是极具潜力的绿氢制备技术，但阳极析氧反应（OER）存在活性‑稳定性权衡矛盾。传统LOM晶格氧机制虽提升活性，却易产生大量氧空位，造成催化剂结构崩塌，难以适配工业大电流工况。本文提出Se掺杂和表面[B(OH)4]⁻修饰的双阴离子协同工程，开发NiFe(Se)OH‑BO催化剂，诱导全新氢键介导氧化机制（HMOM）。Se掺杂调控O 2p带中心、适度激活晶格氧；表面[B(OH)4]⁻构建界面氢键网络，加速质子输运、稳定反应中间体，动态补给晶格氧，抑制氧空位过度累积。催化剂在10 mA cm-2下过电位仅177 mV；作为AEMWE阳极，70 ℃、1 A cm-2 下稳定运行超3400 h，平准化产氢成本$ 2.28·kg-1 H2，优于欧盟2030年< $ 2.50·kg-1 H2的产业化目标。
2、 背景介绍：可再生能源电解水制氢是实现碳中和的重要路径。传统碱性电解水成本低但电流密度受限；质子交换膜电解水制氢性能好但高度依赖贵金属。AEMWE有望兼顾二者优势，但受限于阳极OER催化剂的活性和稳定性。NiFe基（氧）氢氧化物的OER路径主要有以下两种：吸附演化机制（AEM）受中间体线性标度关系限制，活性存在理论天花板；晶格氧氧化机制（LOM）借助晶格氧参与O‑O键生成，提升活性，但晶格氧持续消耗会累积氧空位，引发金属溶出、结构瓦解。尤其在工业大电流下，OH⁻供给和传质不足进一步加剧性能衰减。现有策略大多只解决单一问题，很难同时实现晶格氧活化、传质加速与空位动态修复，实验室性能难以向工业工况转化。
3、本文亮点：
(1) 提出双阴离子协同工程新策略： Se体相掺杂调控O 2p能带，适度激活晶格氧；表面[B(OH)4]⁻构筑界面氢键网络，实现电子结构与界面微环境协同调控，同步解决活性不足与结构失稳难题。
(2) 发现氢键介导氧化新机制HMOM：区别于传统AEM与LOM，界面氢键网络加速质子输运，稳定*OH、*OOH中间体，实现晶格氧可控参与、动态再生，避免氧空位大量堆积，从反应机制层面破解OER活性‑稳定性权衡矛盾。
(3)实现器件级工业工况优异性能：AEMWE在70 ℃、1 A cm-2条件下连续稳定运行超过3400 h；技术经济评估产氢成本达2.28 美元kg-1 H2，达到欧盟2030产业化成本指标；4 cm2的放大电极也展现大电流启停循环稳定性，具备实际工程应用潜力。
4、图文解析：
图1. AEMWE阳极OER的挑战和HMOM的提出
AEM受中间体线性标度关系限制，反应动力学差；LOM虽可借助晶格氧参与O‑O成键提升活性，但会不断生成氧空位，诱发金属溶出、结构坍塌，工业大电流下质子、OH⁻传质不足会进一步恶化稳定性，凸显活性‑稳定性权衡矛盾。本工作提出的氢键介导氧化机制（HMOM）通过Se掺杂调控电子结构适度激活晶格氧，同时催化剂表面吸附的[B(OH)4]⁻构筑连续的界面氢键，加速质子输运、稳定中间体，促进OH⁻快速补给，实现晶格氧消耗‑再生动态平衡，抑制空位累积，破解工业工况下的催化困境（图1）。
图2. 催化剂结构演变分析
本工作采用两步浸渍法制备NiBO/NiFeSeO前驱体，再经电化学CV活化原位重构得到NiFe(Se)OH‑BO。重构过程中亚硒酸盐和硼酸盐浸出形成多孔骨架；重构后Se占据金属八面体晶格位点，而硼酸盐在碱性环境下转化为[B(OH)4]⁻吸附于催化剂表面。原位XANES证实阳极极化下Ni、Fe向高价态转变，长时间反应无过度氧化，维持稳定配位。原位拉曼证明材料向高无序γ‑NiFeOOH活性相转变，双阴离子协同稳定高氧化态活性物种，且NiFe(Se)OH‑BO表面具有高占比全氢键水，形成有序氢键网络，加快质子传导，同时富集OH⁻，为晶格氧再生提供物质条件（图2）。
图3. 电催化与AEMWE器件性能
三电极体系1 M KOH条件下，NiFe(Se)OH‑BO在10 mA cm-2下过电位仅为177 mV；在工业级1 A cm-2电流密度下过电位低至282 mV。将NiFe(Se)OH‑BO作为阳极，商用PtNi作为阴极组装AEMWE电解槽，70 ℃下，1 A cm-2处的槽压为1.66 V且2.0 V即可达到3.2 A cm-2。电解槽在1 A cm-2恒流条件下稳定运行超过3400 h。进一步放大至4 cm2电极面积，搭配RuNi阴极，12 A总电流仅需1.99 V，且3 A cm-2下可耐受启停循环70 h，验证放大可行性。技术经济分析显示该体系平均产氢成本为2.28 美元 kg-1 H2，低于欧盟2030年 2.50 美元kg-1 H2的目标，展现工业化经济竞争力（图3）。
图4 . OER机制分析
18O同位素标记DEMS结果表明，NiFe(Se)OH‑BO体系检测到m/z=34（18O16O）信号，但几乎没有m/z=36（18O18O）信号，说明晶格氧可控参与反应，但不会两个晶格氧直接耦合生成O2，区别于传统LOM机制（可检测大量36信号）。原位红外光谱显示NiFe(Se)OH‑BO可以观测*OOH中间体和*OOH*（与邻位氧形成氢键）的特征峰，但未观测LOM特征的*OO*中间体信号；*OH中间体发生显著红移，证明中间体被界面氢键稳定。KIE动力学同位素效应结果显示，NiFe(Se)OH‑BO的KIE数值降低，证实氢键网络极大加速质子转移过程。原位EIS测得*OH赝电容CPEOH显著提升，说明界面氢键网络使得*OH快速富集供给，用于及时填补晶格氧消耗留下的氧空位，实现晶格“消耗‑再生”动态平衡，抑制空位累积带来的结构破坏（图4）。
图5. 理论分析
DOS能带分析显示，Se掺杂和[B(OH)4]⁻的引入协同调控O 2p能带，实现M‑O共价性的平衡：既能够激活晶格氧参与反应，又不会产生过多氧空穴，避免大量氧空位生成。分子动力学模拟揭示界面动态行为：NiFe(Se)OH‑BO电极‑电解液界面OH⁻径向分布峰位置更近，证明界面富集大量OH⁻；OH⁻界面扩散系数高于体相电解液，氢键网络促进OH⁻快速输运，完成氧空位修复。自由能计算表明，LOM决速步能垒高达0.84 eV；而HMOM依靠氢键介导分子内质子转移，决速步能垒仅0.19 eV，能垒下降77%。HMOM 反应路径依靠分子内氢键稳定中间体，规避LOM中两个晶格氧直接耦合的步骤，晶格氧可控参与同时持续动态再生，实现高活性与高稳定性统一（图5）。
5、总结与展望：
本工作通过Se掺杂与表面[B(OH)4]⁻修饰的双阴离子策略，提出氢键介导氧化机制（HMOM）。Se 掺杂从电子结构层面适度激活晶格氧；表面[B(OH)4]⁻构筑连续界面氢键网络，大幅加速质子与OH⁻传质，稳定氧中间体，动态修复晶格氧空位，从机制层面打破OER催化剂活性‑稳定性的固有权衡。所制备 NiFe(Se)OH‑BO催化剂不仅三电极下表现优异OER活性，组装AEMWE器件后实现70 ℃、1 A cm-2条件下超过3400 h长周期运行，产氢成本满足欧盟 2030产业化目标，并且小批量放大电极展现良好性能。本工作提出的电子结构及界面微环境调控策略，为电催化材料提供了动态质子转移与晶格氧稳定性的协同优化蓝图，开辟了从高能耗水氧化向广泛能量转化反应拓展的可持续发展路径。
文献信息：Hydrogen bond mediated oxidation enables sustained oxygen evolution at industrial current densities. Nature Communications, 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-76946-x
