一、研究背景：镍基阳极的"活性—寿命—成本"三重约束
可再生能源驱动电解水制氢是实现碳中和的关键路径，而阳极析氧反应（OER）涉及四电子转移，动力学迟缓，长期制约电解槽的能效与寿命。镍毡、镍网与泡沫镍价格低、机械强度高，是碱性装置中最常见的基底材料，但单一镍位点通常受*OH、*O和*OOH含氧中间体吸附能之间的标度关系约束，过电位存在理论天花板。
面向2030年工业应用，电解槽需要在2.5 A·cm⁻²以上的安培级电流密度下运行，催化剂还须在降低过电位的同时保持长期稳定。传统晶格氧机制（LOM）虽能提升活性，却易因氧空位累积引发结构崩塌——这正是镍基阳极在工业大电流工况下"活性—稳定性—成本"难以兼得的根源。
- ⚙️ 吸附质演化机制（AEM）：受中间体线性标度关系限制，活性存在理论上限
- 🧪 晶格氧机制（LOM）：晶格氧持续消耗会累积氧空位，导致金属溶出与结构失稳
- 📊 工业工况缺口：实验室1 cm²器件的亮眼数据，放大到大面积、大电流密度下常常大幅衰减
二、核心突破：2.85 Å非对称Mo–Ni原子对，把反应路径切到O–O直接偶联
2026年9月24日，上海交通大学环境科学与工程学院张礼知教授团队联合武汉大学动力与机械学院顾向奎研究员等，在《Nature Sustainability》发表论文，提出了一条不同于"改变化学成分"的思路：调节相邻原子的距离，让反应路径本身发生切换。团队通过密度泛函理论计算筛选发现，Mo–Ni非对称原子对可显著降低氧化物路径机制（OPM）的反应能垒，其中间距2.85 Å的构型理论过电位最低。
理论设计很快在实验中"落地"：团队在商用镍毡表面均匀负载MoCl₅乙醇溶液，经400 °C还原气氛处理与循环伏安活化，获得目标结构。Mo K边EXAFS拟合出2.85 ± 0.01 Å的Mo–O–Ni路径，原子分辨HAADF-STEM未见Mo团簇，XANES证实短间距结构改变了Mo周围电子态——理论计算、平均配位结构与局部原子像落在同一个参数上。
| 电极构型 | 原子间距 | OPM理论过电位 | AEM理论过电位 | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| Ni–Ni（商用镍毡） | 约2.93 Å | 0.98 V | 0.95 V | 直接偶联无天然优势 |
| Mo–Ni（空气中煅烧对照） | 约3.14 Å | 明显偏高 | — | 间距过长，OPM不占优 |
| Mo–Ni（优化构型） | 2.85 Å | 0.48 V | 1.39 V | OPM路径大幅占优 |
三、器件级验证：3 A·cm⁻²运行2000小时，71 cm² AEM电解槽槽压降低13%
机理闭环之后是硬核的器件数据。三电极体系中，2.85 Å Mo–Ni电极在1 A·cm⁻²与2 A·cm⁻²下所需过电位分别为300 mV与310 mV，Tafel斜率仅22 mV·dec⁻¹；在3 A·cm⁻²工业级电流密度下连续运行超过2000小时，平均衰减速率2.08 mV·kh⁻¹。原位ATR-FTIR在1115 cm⁻¹与1101 cm⁻¹处捕捉到线性M–O–O与桥式Ni–O–O–Mo特征，H₂¹⁸O同位素替换后特征峰位移，同位素DEMS持续检测到³⁶O₂，直接证明相邻表面氧发生了偶联。
在AEM电解槽中，1 cm²器件在2 A·cm⁻²下达到1.78 V并稳定运行超1200小时；放大到71 cm²单电池后，3 A·cm⁻²下槽压2.35 V，较商业镍毡降低约13%，系统连续产出纯度>99%的氢气，能量效率提高7%–13%，能耗与制氢成本降低10%–17%。下表汇总了四个层级的验证结果：
| 验证层级 | 体系与条件 | 关键性能指标 |
|---|---|---|
| 三电极 | 1 M KOH，25 °C | 300 mV@1 A·cm⁻²；3 A·cm⁻²运行>2000 h，衰减2.08 mV·kh⁻¹ |
| 1 cm² AEM电解槽 | 1 M KOH，工业电流密度 | 1.78 V@2 A·cm⁻²；稳定运行>1200 h |
| 71 cm² AEM电解槽 | 1 M KOH，40–80 °C | 2.35 V@3 A·cm⁻²（较商业镍毡低13%）；氢气纯度>99% |
| 333 cm²碱性电解槽 | 30% KOH，90 °C | 2 V下达1.93 A·cm⁻²（较商业镍毡提升74%）；2.2 V下达2.6 A·cm⁻² |
"先用原子距离设计新的O–O成键方式，再用原位光谱和同位素实验完成机制闭环，随后把催化剂做在商用整体电极上，并在1 cm²、71 cm²和333 cm²三个尺度连续验证。"——上海交通大学张礼知课题组对该研究范式的总结
四、产业化纵深：从量产线到1.81美元/kg的制氢成本账
这项研究最受产业界关注的一点，是它没有停在催化剂粉末或1 cm²器件。团队建立了包含激光切割、喷砂清理、催化剂涂覆、煅烧、测试和包装的电极量产线，71 cm²电极由连续制造环节制备并回到电解槽验证。在补充信息中，333 cm²碱性电解槽（30% KOH、90 °C）内量产电极在2 V时达到1.93 A·cm⁻²，0.25–1.5 A·cm⁻²区间能耗3.84–5.08 kWh·m⁻³ H₂，1.5 A·cm⁻²时能量效率达69.5%。
更具冲击力的是系统成本测算：针对理想1 MW碱性电解系统（年运行350天、日产氢500 kg、风电电价0.033美元/kWh），模型给出平准化制氢成本1.81美元/kg。这意味着原子尺度的机理创新已经被转换成可制造电极、实际电解槽与系统成本模型，材料创新开始具备与设备工程直接对接的形式。
五、对氢能测试与制备装备的启示
对设备端而言，这项成果把"评测能力"的门槛明显抬高：大面积、大电流密度、长周期、可溯源的测试，正在从"加分项"变成"必选项"。
- 🔬 AEM电解水测试台：71 cm²级单电池、3 A·cm⁻²级电流密度与千小时量级稳定性测试，要求测试台具备更宽的电密窗口与气体纯度分析能力
- 🧪 膜电极测试夹具：大面积膜电极的电流分布均匀性诊断，需要与之匹配的大面积夹具与微区表征接口
- ⚙️ MEA膜电极制备产线与超声喷涂机：量产线的涂覆、煅烧工位对催化剂浆料制备与涂层一致性提出与论文同级的要求
- ✅ 绿氢制备设备：1.81美元/kg的平准化成本预测，为装备降本提供了可对标的技术经济坐标
合肥博格达氢能科技有限公司围绕PEM/AEM电解水测试台、膜电极测试夹具与MEA膜电极制备产线持续投入，为高校和企业的国产替代路线提供从催化剂浆料制备到电解槽系统评测的全链条支撑。
六、参考来源
- Asymmetric Mo–Ni atom pairs enable scalable water oxidation at industrial current densities. Nature Sustainability, 2026-09-24. DOI：10.1038/s41893-026-01942-4
- 上海交通大学张礼知教授课题组. 上海交通大学＆武汉大学最新Nature Sustainability：2.85 Å原子对，撑住3 A cm⁻²与2000 h电解水. 2026-10-09. https://irongroup.sjtu.edu.cn/news_detail/753
（本文基于公开科研进展整理。）
