水氧化是電解水、燃料電池、金屬空氣電池等諸多能量轉換與存儲技術中的核心反應，但是水氧化反應涉及多電子和多質子轉移以及氧-氧鍵的形成，是一個反應環境苛刻、能耗高且動力學緩慢的過程。因此，開發高效的水氧化催化劑來加速水氧化反應速率，對于能源轉化和存儲技術是至關重要的。金屬有機骨架（MOFs）作為一類由過渡金屬節點與有機連接基的配位而構建的新型材料，因其獨特物理化學性質（包括定義明確的結構、相互連接且規則的孔道、暴露可及的金屬活性位點、可精確控制的組件以及超高的比表面積等），有替代或補充當前貴金屬基和碳基水氧化催化劑的巨大潛力。但是MOFs基材料在強氧、強堿的（酸性）的水氧化催化環境下很容易出現表面重構，導致活性位點難以確定。特別是具有多金屬節點的MOFs催化劑，雖然多金屬電子耦合作用可以提高其水氧化活性，但是多金屬MOFs在水氧化過程中發生的構型轉變更加復雜。因此，闡明多金屬MOFs水氧化催化劑在役狀態下材料與性能之間的構效關系、并從宏觀材料到微觀反應分子全角度建立其水氧化反應機制，對發展新型高效的非貴金屬水氧化催化材料至關重要。 

　　基于上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所王現英研究員團隊通過原位光譜學結合理論計算揭示了NiCoFe-NDA有機骨架材料在水氧化過程中的表面重構現象及水氧化催化機制。首先通過陰離子交換策略設計構筑了具有鐵、鈷、鎳三金屬節點的二維超薄NiCoFe-NDA納米片，并系統表征分析了NiCoFe-NDA初始體相的晶體結構、元素構成、電子結構等物化性質。在經過原位電化學活化后，體相NiCoFe-NDA表面發生了拓撲轉變，形成了具有多金屬電子耦合效應的氫氧化物活性物種。與單金屬MOFs相比，轉變后的t-NiCoFe-NDA在陰離子交換膜水電解池中表現出了優異的析氧活性與穩定性。該工作不僅為設計制備多元MOF電催化提供參考依據，也為MOF基催化劑在服役狀態下構效關系的理解提供了有價值的指導。該成果以“In-situ Ion-Exchange Preparation and Topological Transformation of Trimetal-Organic Frameworks for Efficient Electrocatalytic Water Oxidation”為題發表在Energy & Environmental Science（2021，DOI:10.1039/D1EE02606B）。論文第一作者為上海硅酸鹽所聯培學生岳楷航，導師為嚴雅副研究員。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助和支持。 

　　研究人員所在的氫能材料及器件課題組致力于非貴金屬基電催化材料的研究，前期已經通過溶劑引導策略實現了不同維度MOFs的可控合成并研究其電催化水氧化性能（Mater. Chem. Front., 2021, 5, 7191）。此外，以MOFs為優勢平臺材料，設計構筑了面向肼燃料電池的中空碳納米骨架催化劑（ACS nano, 2021,15,10286）以及MOFs基化材料在鋅空電池領域的綜述（Nano-Micro Lett., 2021, 13 , 1）。系列研究工作為氫能領域新型非貴金屬基電催化材料的研究開發夯實基礎。 

　　附文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D1EE02606B

多金屬有機骨架NiCoFe-NDA的合成及原位拓撲轉變示意圖

NiCoFe-NDA的水氧化性能以及在質子交換膜水電解池中的性能驗證

原位光譜學結合理論計算闡述NiCoFe-NDA的水氧化構效關系以及水氧化機制研究