揭开电催化水分解的“秘密”——记自然科学奖一等奖能源小分子电催化高效转化基础研究

编者按 日前，2025年度陕西省科学技术奖获奖项目名单揭晓，石油和化工行业共有40项成果上榜，其中一等奖9项、二等奖14项、三等奖17项，涵盖油气勘探、煤化工、石油化工、精细化工、化工新材料、石油装备、资源循环利用等领域。从今日起推出《2025陕西省科技奖成果展示》系列报道，遴选部分代表性成果进行深入解读，以飨读者。

　　随着绿色能源蓬勃发展，以电解水制氢为代表的能源小分子电催化转化研究在国内外广受关注。然而，学界对这种反应和电极界面形态的复杂性仍缺乏清晰的微观认识。

　　陕西师范大学化学化工学院自主完成的“能源小分子电催化高效转化基础研究”，通过设计分子催化剂的配位结构和空间构型、构筑特定有序的催化剂物理和化学结构、调控分子催化剂与载体之间的化学键联方式等手段，阐明了析氢、析氧和氧气还原反应机制，拓展了分子催化剂的固载策略并实现了催化剂与电极载体之间的快速电荷转移。基于此，该成果荣获2025年度陕西省科技奖自然科学奖一等奖。

　　揭示电催化反应机制

　　随着“双碳”目标推进，可再生能源已成为各国竞相发展的新赛道，绿氢项目建设明显加快。目前，电解水制氢已逐步实现产业化，但仍存在技术先进性和经济合理性的困境。

　　具体而言，能源小分子电催化转化研究集中在对催化剂活性和稳定性进行探索，针对催化过程中的反应机制、物质传递、电荷转移等基础动力学过程的研究较为欠缺，碱性/质子交换膜(PEM)电解水制氢的机理尚不清晰。

　　陕西师范大学化学化工学院教授曹睿领衔的分子模拟与太阳能转化团队，围绕能源小分子电催化转化的共性基础科学问题，拓展了这一反应的动力学基本理论，取得了一系列原创性成果。一是围绕“反应机制”，阐明并调控了水分解和氧气还原过程中多种氢氢成键、氧氧成键和氧氧断键过程，完整阐明析氢反应中金属氢化物中间体的三种氢氢成键路径，认识了水分解反应和氧气还原反应的内在机制；二是围绕“物质传递”，揭示了催化剂分子内部活性位点周围环境质子转移、催化剂与电解液界面底物传递调控对电催化水分解反应性能的影响规律，提出了从分子内到界面的多级次物质传递调控新策略；三是围绕“电荷转移”，阐明了催化剂与载体之间连接方式对电荷转移效率的影响规律，发展了从分子设计到界面构建的高效电荷转移新体系。

　　重构催化剂设计范式

　　传统碱性/PEM电解水离不开贵金属催化剂。项目团队通过设计具有明确结构的分子催化剂、构筑有序的催化剂物理和化学结构以及调控分子催化剂与载体间化学键联方式，在单一分子催化剂体系中实现了对氧气还原选择性的精准调控，设计合成了一系列性能优异的新型金属卟啉类水分解、氧还原分子催化剂。

　　在研究过程中，团队打破试错筛选模式，从反应机理、物质传质、界面电荷转移三大底层维度入手，重构催化剂设计范式，获得替代铂、铱等贵金属的均相非贵金属分子催化剂，从源头降低电解槽、燃料电池催化剂物料成本。同时，团队稳定捕获并表征了高活性的NiⅢ-H中间体，可精准调控双分子偶联产氢通道，大幅降低电解水产氢过电位，解决电解水动力学迟缓、能耗偏高的问题。

　　此外，团队还将仿生理念引入分子催化，模拟自然界中高活性的蛋白酶，通过在催化位点周围构筑水簇氢键网络和官能化高分子链，实现了对质子转移路径和速率的有效调控；开发了多种将分子催化剂共价固载于碳纳米管、四氧化三铁等碳基或金属氧化物载体上共价键联的新方法，提升了界面电荷转移效率，为高性能多相分子催化剂的设计提供了普适性指导，使均相催化剂变为多相催化剂。

　　有望推动产业技术变革

　　该成果有望在成本、效率、寿命等方面革新现有技术路线。通过反应机理革新，突破活性低、选择性差、贵金属依赖核心瓶颈；非贵金属催化剂方案可大幅削减贵金属使用量，降低电解槽、燃料电池电堆核心材料成本；多级次物质传递调控，可提升电解水制氢能效、燃料电池发电效率；界面电荷转移体系创新，能解决电极界面接触差、电子损耗、催化剂脱落难题。

　　曹睿介绍，该成果首次完整阐明析氢三类氢氢成键路径，证实了水亲核进攻金属氧物种的析氧新路径，并依靠卟啉配体空间异构设计，在单分子催化剂中精准区分2电子/4电子氧还原路径。

　　曹睿还介绍，他们研究的质子传输仿生分子设计适配PEM电解水和燃料电池，氢氧根离子多级结构传输体系适配碱性电解水、阴离子交换燃料电池。优化后的电极可承受更高工业级电流密度，同等产氢/发电功率下缩小电解槽、电堆体积，降低设备投资，延缓电极老化，延长电解水设备、燃料电池堆使用寿命。