2025年9月30日，威廉官网中国王春栋团队在《ACS Catalysis》期刊发表题为“Leveraging Co Spin State in Metal–Organic Frameworks for Efficient Water Oxidation”的研究论文。威廉官网中国王春栋教授为论文唯一通讯。
该研究聚焦绿色氢能生产中电解水析氧反应（OER）的催化剂瓶颈，以金属有机框架（MOFs）为基础，通过一步水热法合成了Mn掺杂的钴基MOF催化剂（CoMnFcMOF），配体选用二茂铁基二元羧酸，基底为镍泡沫。
材料表征显示，CoMnFcMOF呈二维层状八面体配位结构，为平均尺寸约600 nm的致密纳米片，Co、Fe、Mn、C、O元素分布均匀，Mn成功掺入且未破坏MOF骨架，同时引入更多氧缺陷。磁学与电子结构分析证实，Mn掺杂使Co从高自旋（HS）态转为中自旋（IS）态，总有效磁矩从3.992 μB/f.u.降至1.974 μB/f.u.，且二茂铁基团可提升电子传输效率。电催化性能测试表明，碱性条件下，CoMnFcMOF在10 mA·cm⁻²电流密度下过电势仅207 mV，100 mA·cm⁻²时过电势238 mV，显著优于母体CoFcMOF及商用RuO₂，且连续电解200小时活性无明显下降。DFT计算揭示，OER过程中CoMnFcMOF转化为CoNiMnOOH，其表面电子云密度更高、费米能级附近电子密度更大，对水分子吸附更有利，还将O→OOH步骤能垒从0.99 eV降至0.84 eV，加速催化反应动力学。
图为部分实验结果
从学术与应用价值出发，本研究虽为过渡金属基OER催化剂设计提供了“自旋态工程”新范式，但仍有多个方向可进一步拓展，以推动理论深化与实际应用落地：
1. 催化剂性能与适用场景拓展：当前研究集中于碱性条件下的OER性能，未来可探索通过调整金属掺杂比例（如引入Ni、Fe等多金属协同）、优化配体结构（如引入导电性更强的共轭基团），提升催化剂在中性或酸性环境中的稳定性与活性，适配海水电解、质子交换膜电解槽等更广泛的氢能生产场景；同时，可尝试将该催化剂与HER催化剂整合，开发高效双功能全解水体系，降低设备集成成本。
2. 催化机制的动态与原子级解析：现有机制研究基于静态表征与理论计算，后续可借助原位X射线衍射（原位XRD）、原位X射线光电子能谱（原位XPS）、原位透射电镜（原位TEM）等技术，实时追踪OER过程中催化剂的晶体结构、元素价态、形貌演变规律，明确自旋态转变与原位结构转化的动态关联；此外，可通过单原子催化模型结合高分辨表征，进一步揭示Co活性位点的原子级作用细节，为自旋调控策略提供更精准的理论支撑。
3. 规模化制备与产业化探索：当前合成采用水热法，虽操作简便但批量生产效率有限。未来需开发更适合规模化的制备工艺（如喷雾热解、流变相合成），并系统研究催化剂的负载量、基底兼容性对性能的影响，解决“实验室小试”到“工业化应用”的工艺衔接问题；同时，需开展长期稳定性与循环寿命测试，评估催化剂在实际电解系统中的抗腐蚀、抗团聚能力，为其商业化应用提供数据支撑。
4. 自旋工程的跨领域延伸：本研究验证了自旋调控在MOF基OER催化剂中的有效性，未来可将该策略拓展至其他电催化领域（如二氧化碳还原、氮还原），探索自旋态与不同反应中间体吸附能的关联规律，构建普适性的“自旋-催化活性”调控理论，为多场景高效电催化剂的设计提供统一范式。
此项工作是王春栋教授团队在催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 29949; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1174; Chem. Rev. 2025, 125, 3165; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504923; Energy Environ. Sci., 2025, 18, 7624; ACS Catal. 2025, 15,17155; ACS Catalysis, 2024, 14, 12051; ACS Nano, 2024,18,1214；ACS Nano, 2023, 17, 10906; Adv. Mater, 2024, 2400523; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408823; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater, 2024, 2401011; Adv. Funct. Mater., 2023, 2303986; Chem Catalysis,2023, 100840; Coord. Chem. Rev. 2025, 538, 216678; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Coord. Chem. Rev.,2023, 478, 214973；Sci. Bull. 2025, 70, 2215; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109）。
Leveraging Co Spin State in Metal–Organic Frameworks for Efficient Water Oxidation, ACS Catal. 2025, 15,17155-17165
https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03901
