大规模水电解有望将可再生电能转化为清洁的氢能。使用海水作为原料进行电解水为可再生的氢气生产提供了一个更加可持续的策略，同时可产生NaCl副产品。然而，海水中大部分盐是NaCl (约0.5 M)，这导致在阳极侧发生催化剂腐蚀和Cl−氧化竞争反应，严重阻碍了海水电解商业化应用。因此，实现高效和持续的海水电解需要一个高活性和选择性的阳极，能够在高浓度Cl−存在下工作。
以往海水电解催化剂的设计大多集中在禁止Cl−在催化剂上吸附，但是，这也削弱了OER中间体的吸附，降低了OER的活性。此外，在高过电位(即高电流密度)时，由于Cl−吸附的驱动力增强，排斥Cl−的策略变得不太有效。
近日，北京化工大学孙晓明、香港城市大学刘彬和深圳清华大学研究院邝允等设计了一种以CoFe层状双氢氧化物(Ir/CoFe-LDH)为载体的原子Ir催化剂，用于电化学海水氧化。与传统催化剂完全排斥Cl−吸附不同，CoFe-LDH上的Ir原子位点允许Cl−吸附来调节Ir活性中心的电子结构。
结果表明，Ir/CoFe-LDH催化剂在碱性海水电解中表现出优异的OER性能，当电流密度为10 mA cm−2时，过电位低至202 mV，比在NaOH溶液中低34 mV；同时，Ir/CoFe-LDH在工业电流密度下(0.4-0.8 A cm−2)具有显著的活性，O2法拉第效率接近100%，并可稳定运行1000 h以上。此外，在实际海水中，该催化剂在10 mA cm−2电流密度下的过电位为208 mV，在1 A cm−2电流密度下可稳定运行2000 h以上。
原位光谱表征和理论计算表明，Ir/CoFe-LDH催化剂在海水中的优异OER性能来源于在Ir上Cl和OH配位态的动态调控。这种氯化物介导的配位增强促进了*OOH中间体的强烈吸附，从而将速率决定步骤(OOH*的形成)的活化能降低了1.93倍。同时，在Ir的存在下，Cl不能有效地吸附在Co或Fe上，因此强烈的Ir-Cl配位抑制了Cl与Co和Fe金属中心的配位，稳定了CoFe中心，从而保证了海水电解体系的稳定性。
综上，该项研究不仅展示了Ir/CoFe-LDH在海水电解中的巨大潜力，而且提出了一种调控海水环境中单原子Cl配位的新策略，突破了海水电解能耗和成本的极限，推动了该技术的实际应用。
Dynamic chloride ion adsorption on single iridium atom boosts seawater oxidation catalysis. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46140-y
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