近日，我所太阳能研究部（DNL16）李灿院士、范峰滔研究员、周潘旺研究员等在电解水析氧催化研究领域取得新进展。研究团队发展了原位原子力显微镜—扫描电化学显微镜（AFM-SECM）纳米成像方法，实时揭示了钴（Co）基（氧）氢氧化物催化剂在析氧反应（OER）过程中的动态结构重构行为，阐明了真实活性位的形成机制，并实现了催化剂活化过程中“活性位生成”与“晶格氧化调控”两类过程的功能解耦。
电解水OER动力学缓慢，是制约绿色制氢效率的因素之一。Co基（氧）氢氧化物因资源丰富、性能良好而受到广泛关注，但其在反应过程中会发生复杂的结构重构和价态演化，真实活性位的形成机制仍不明确，尤其是OER前多个氧化还原过程在催化剂活化中的作用尚缺乏深入认识。
针对上述问题，研究团队构筑了具有氯（Cl）局域配位结构的氢氧化钴（Co(OH)2）模型催化剂，并利用自主发展的AFM-SECM联用平台，在纳米尺度原位追踪催化剂结构演化、界面电荷传输和活性分布。研究发现，活化过程中Cl⁻脱除诱导局域结构重构和电荷重新分布，驱动四面体Co位点向端位Co–OH活性结构转变。结合原位X射线吸收谱、原位X射线衍射和原位拉曼光谱等多种表征手段，研究人员进一步揭示了Co基催化剂的两阶段活化机制：在较低电位区间，催化剂发生由四面体Co向八面体Co的结构转变，并形成大量端位Co–OH活性结构；在更高电位区间，催化剂主要发生晶格深度氧化和电子结构调控。研究表明，第一阶段对应真实活性位的生成，是催化活性提升的决定因素；第二阶段则主要增强活性中心的氧化能力，对新增活性位贡献有限。该发现突破了传统上将催化活性提升简单归因于高价Co形成的认识。单颗粒尺度活性成像表明，该过程不仅激活催化剂边缘位点，还使活性扩展至原本惰性的基面区域。理论计算进一步证实，动态生成的端位Co–OH结构能够优化反应中间体的吸附与转化，降低反应能垒，是催化活性提升的本征来源。
该工作从动态结构演化角度揭示了Co基析氧催化剂的真实活性来源，建立了活性位生成与电子结构调控之间的关联机制，为理解电催化反应中的动态重构过程提供了新思路，也为高效析氧催化材料的理性设计提供了理论指导。
该研究是团队构建光/电催化界面“全时空成像”研究体系的新突破。近年来，团队围绕光/电催化界面关键物理化学过程的原位表征持续开展研究，先后发展了AFM-SECM双通道纳米成像方法，实现催化活性与界面电荷传输行为的同步可视化表征（Angew. Chem. Int. Ed.，2026）；建立了固—液界面固相电荷传输原位成像方法，实现了催化剂内部电子输运过程的空间分辨测量（Nature，2022；Nat. Protoc.，2024）；发展了液相局域电势原位检测技术，实现了界面电势分布的纳米尺度解析（J. Am. Chem. Soc.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2025）。本工作进一步实现了跨固—液界面结构重构与活性位生成过程的原位可视化，为构建涵盖固相电子输运、液相电势分布及界面反应动力学的光/电催化全时空成像体系奠定了基础。
相关研究成果以“Operando Imaging of Adsorbate-Charge Cooperative Reconstruction into Terminal Active Co–OH Sites”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是我所DNL1600组群博士研究生孙福赛。上述研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”等项目的支持。（文/图 孙福赛、崔俊豪）
