近日，团队成员宁子慧在知名期刊《Journal of Energy Chemistry》发表了题为“Electron delocalization state-induced intermediate selective adsorption for efficient chlorine evolution in seawater electrolysis”的研究论文(DOI: 10.1016/j.jechem.2025.09.069)。

随着海洋资源利用和船舶压载水处理需求的增加，开发高效、稳定的海水电解制氯技术具有重要意义。析氯反应作为重要的阳极反应，其效率与选择性常受限于析氧反应的竞争。Co₃O₄虽具潜力，但其活性位点对OH⁻ 中间体的强吸附严重制约了Cl⁻ 的吸附与反应路径。如何精准调控中间体Cl⁻ 在活性位点上的竞争吸附，成为提升CER性能的核心挑战。

本研究受硬软酸碱理论启发，通过在Co₃O₄中引入过渡金属V，构建了Co₂VO₄双位点催化剂。实验与理论计算表明，V的引入促使电子由V向Co转移，使Co位点电子离域程度增强，表现为“软路易斯酸”，更易吸附Cl⁻；而V位点因失去电子呈现“硬路易斯酸”特性，优先吸附OH⁻。这种电子结构的调控有效缓解了Cl⁻ 与OH⁻ 在Co位点上的竞争吸附，显著提升了CER选择性。

该工作从电子离域状态调控的角度揭示了双位点催化剂在CER中的增强机制，不仅验证了HSAB理论在电催化设计中的有效性，也为开发高选择性海水电解催化剂提供了新思路。

该研究成果以广西大学化学化工学院和广西电化学能源材料重点实验室为通讯单位，尹诗斌教授为通讯作者，2023级硕士研究生宁子慧为论文第一作者。该工作得到国家自然科学基金、广西自然科学基金重点项目和广西大学高性能计算平台的资助与支持。

图1. 示意图。(a, b) Cl⁻和OH⁻在Co₃O₄活性位点上发生竞争吸附; (c) Cl⁻、OH⁻、Co和过渡金属M的电子离域状态; (d) Cl⁻和OH⁻分别倾向于吸附在软路易斯酸位点（离域位点）和硬路易斯酸位点（局限位点）; (e) Co₂VO₄中，双路易斯酸活性位点具有不同的电子离域状态，缓解了Cl⁻和OH⁻在Co位点上的吸附竞争。

图2. (a) Co₂VO₄的粉末XRD图谱及其三维电子衍射分析拟合结果; (b) Co₂VO₄的HRTEM图像; (c) Co箔、CoO、Co₂VO₄和Co₃O₄在R空间中的Co K-edge FT-EXAFS光谱; (d) Co箔、CoO、Co₂VO₄和Co₃O₄的归一化Co K-edge XANES光谱; (e) Co箔、CoO、Co₂VO₄和Co₃O₄的XANES谱一阶导数; (f) Co₂VO₄的Co 2p XPS光谱; (g) 由XPS结果得到的Co³⁺/Co²⁺峰面积比。

图3. (a) CER LSV曲线; (b) 2.0 V_RHE下Co₃O₄与Co₂VO₄的电流密度对比; (c) Tafel斜率; (d) Nyquist 图; (e) Co₂VO₄在0.6 M NaCl（CER）和0.6 M Na₂SO₄（OER）中的LSV曲线对比; (f) 在10 mA cm⁻²电流密度下CER与OER的过电位差∆E（∆E = E_CER − E_OER）及相应法拉第效率 (FE) 的对比; (g) Co₂VO₄在10 mA cm⁻²处的CP曲线。

图4. (a) Co₂VO₄的电荷密度差分图; (b) Co₂VO₄和Co₃O₄的电子局域函数（ELF）图; (c) Co₂VO₄和Co₃O₄中Co 3d轨道投影态密度（PDOS）; (d, e) Co K-edge的WT-EXAFS图，分别对应 (d) Co₂VO₄和(e)Co₃O₄（经Morlet参数优化）; (f) Co₂VO₄在0.6 M NaCl溶液中于不同电位下测得的原位拉曼光谱; (g) Cl⁻/OH⁻在Co₂VO₄不同位点的吸附能; (h) CER过程的吉布斯自由能。

图5. (a) 模拟太阳光驱动海水电解的装置照片; (b) 太阳能电池驱动反应池示意图和 (c) 真实模型; (d) 经电解天然海水产生的活性氯处理前后的大肠杆菌与金黄色葡萄球菌对比（处理时间：10分钟）; (e) 压载水处理流程示意图。