随着全球能源转型不断推进，利用可再生能源驱动电解水制氢，被认为是实现绿色氢能规模化生产的重要路径。其中，海水资源丰富，是理想的制氢原料来源。然而，直接利用海水电解制氢仍面临诸多挑战，尤其是在阳极析氧反应（OER）过程中，电极材料容易发生腐蚀，同时伴随竞争性的析氯反应（CER），导致催化效率下降和长期稳定性不足。

近日，来自上海理工大学、南京理工大学等单位的研究团队在 Nature Communications 发表研究论文 “Activating lattice oxygen in metal oxyhydroxides as durable electrodes for industrial-scale seawater splitting”，提出了一种通过激活晶格氧机制提升海水电解性能的新策略。研究团队构建了一种硼掺杂钴铁羟基氧化物纳米片电极（B-FeCoOOH），实现了高电流密度条件下的高效、稳定海水电解，为工业级绿色制氢提供了新的材料设计方向。

在该研究中，材料形貌观察、元素分布分析等关键表征环节采用了飞纳 Phenom ProX 扫描电镜能谱一体机，通过 SEM 与 EDS 联用技术，对催化电极微观结构及组成进行了精准分析，为理解材料结构与催化性能之间的关系提供了重要依据。

PART01

海水电解制氢：高效阳极催化剂面临挑战

利用太阳能、风能等可再生能源驱动海水电解，被认为是未来绿色氢能发展的重要方向。相比阴极析氢反应（HER），阳极析氧反应由于反应动力学缓慢、电极腐蚀严重以及海水中氯离子的影响，一直是限制海水电解技术发展的关键因素。

传统贵金属催化剂，例如 IrO₂ 和 RuO₂，虽然具有优异的析氧性能，但由于价格昂贵、资源稀缺，难以满足大规模工业应用需求。因此，开发低成本、高活性、高稳定性的非贵金属催化材料成为研究重点。

过渡金属羟基氧化物（MOOH，如 FeOOH、CoOOH、NiOOH）因具有丰富元素储量和良好的碱性条件催化性能，被认为是替代贵金属催化剂的重要候选材料。

然而，传统 MOOH 催化剂仍存在两个核心问题：

• 高电流密度下催化活性不足；

• 晶格氧参与反应时容易产生氧空位，引起结构失稳和金属溶解。

因此，如何在提升催化活性的同时保持长期结构稳定性，是实现工业级海水电解的重要挑战。

PART02

构建缺陷调控结构，激活晶格氧催化机制

针对上述问题，研究团队提出了一种新的材料设计策略：

通过在铁泡沫基底上原位生长硼掺杂钴铁羟基氧化物纳米片（B-FeCoOOH），利用硼掺杂和钴元素调控，实现材料电子结构优化，并诱导形成丰富的氧空位。

具体制备过程中：

首先，以铁泡沫作为导电基底，通过酸刻蚀和 NaBH₄ 处理，在表面形成硼掺杂 FeOOH 纳米片；

随后，引入 Co 离子，通过元素掺杂进一步调节晶格结构，形成具有晶格无序区域的 B-FeCoOOH 纳米片结构。

该方法能够直接在铁泡沫表面构筑大面积自支撑电极，实现了尺寸达到 10cm × 10cm 的催化电极制备，为未来规模化制造提供可能。

PART03

飞纳 Phenom ProX 助力催化材料微观结构解析

为了深入研究 B-FeCoOOH 催化剂的结构特点，研究团队利用多种先进表征手段对材料进行了系统分析。

其中，扫描电子显微镜（SEM）被用于观察催化剂表面形貌。

SEM 图像显示，经过原位生长处理后，铁泡沫表面形成了由大量纳米片组装而成的多孔结构。这种开放式纳米片结构能够提高材料比表面积，增加电解液与催化活性位点之间的接触，有利于提升析氧反应效率。

在此过程中，飞纳 Phenom ProX 扫描电镜能谱一体机发挥了重要作用。

通过 SEM 高分辨形貌观察，研究人员能够直观分析：

• 催化剂表面纳米片结构；

• 多孔网络形貌；

• 材料生长状态；

• 不同区域结构均匀性。

同时，结合 EDS 能谱分析，对材料元素组成进行了进一步确认。

EDS 元素面分布结果显示：

• Fe 元素均匀分布；

• Co 元素成功引入；

• B 元素均匀存在；

• O 元素覆盖整个纳米片区域。

这一结果证明了 B-FeCoOOH 纳米片结构的成功构筑，并验证了多元素协同调控策略的有效性。

PART04

缺陷工程提升催化性能，实现工业级海水电解

为了进一步揭示材料高催化性能来源，研究团队利用 XRD、Raman、EPR、XPS 以及 X 射线吸收谱等技术，对 B-FeCoOOH 的电子结构进行了系统分析。

研究发现：

Co 掺杂能够促进 Fe-O-Co 结构形成，并诱导大量氧空位产生。

氧空位具有以下作用：

• 改变局部电子结构；

• 提升电子传输能力；

• 降低水氧化反应动力学障碍；

• 促进晶格氧参与反应。

XPS 分析显示，B-FeCoOOH 中存在明显氧空位相关信号，证明缺陷结构成功构筑。

此外，元素掺杂形成的晶格无序区域，也为催化反应提供了更多活性中心。

PART05

动态重构机制揭示催化剂长期稳定原因

研究团队进一步利用原位 Raman 光谱和反应后结构分析，对催化过程中的材料变化进行了研究。

结果发现，在电催化过程中：

• B 元素逐渐发生迁移；

• 催化剂表面形成无定形 Fe/Co 羟基氧化物层；

• 氧空位持续参与反应过程；

• 晶体结构主体保持稳定。

这种动态表面重构形成了真正具有高活性的催化表层，使材料能够在长期工作过程中保持较高催化效率。

研究表明，Co 掺杂不仅促进晶格氧激活，同时增强了材料结构稳定性，实现了高活性与高耐久性的统一。

PART06

飞纳 Phenom ProX：推动先进能源材料微观结构研究

新能源材料的发展离不开对微观结构、元素组成以及缺陷状态的深入理解。

在本研究中，飞纳 Phenom ProX 扫描电镜能谱一体机通过 SEM 形貌分析与 EDS 元素 mapping，为 B-FeCoOOH 催化电极结构验证提供了关键实验依据。

对于催化材料、电池材料、半导体材料等先进功能材料研究而言，材料性能往往来源于微观尺度的结构调控：

• 纳米结构决定活性位点数量；

• 元素分布影响电子结构；

• 缺陷工程调控反应路径；

• 微观形貌影响传质效率。

Phenom ProX 将高分辨扫描电镜成像与元素分析能力集成于同一平台，可快速完成材料形貌观察、成分分析以及失效区域定位，为科研人员探索材料结构—性能关系提供高效工具。

未来，随着绿色能源、先进制造和功能材料领域不断发展，高效、智能化的微观表征技术将在新材料研发过程中发挥更加重要的作用。飞纳电镜将持续助力科研人员深入探索材料微观世界，加速先进材料创新发展。