近日，我院院长朱广山教授团队的常进法教授、邢子豪副教授在能源小分子电催化领域取得系列重要进展。能源是人类文明和工业发展的动力，也是国民经济的关键支撑。传统化石燃料能源的快速消耗不仅加剧了全球能源危机，同时导致了严重的温室效应和环境污染。在我国“双碳”目标的指引下，推动清洁电化学能源存储和转化技术的发展，如电解池、金属-空气电池、燃料电池等，将为人类摆脱对传统化石能源的依赖、实现可持续能源转型提供重要途径。然而，电化学能源在大规模应用过程中仍面临诸多瓶颈，重点体现在电极材料性能有限、活性不足、稳定性差、资源依赖、能量转换效率低、成本与规模化制造等。因此，设计开发具有低成本、高效率、长寿命的电极/催化剂材料是推动电化学能源存储与转化系统需要解决的主要问题。针对上述问题，团队开发出系列适合电解水、金属-空气电池、超级电容器的高效稳定电极材料，相关成果先后发表于J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际知名期刊。

图1. 水电解析氧反应尖晶石催化剂的设计及电催化性能

电解水技术可绿色高效制取氢气，作为电解水的阳极半反应，氧气析出反应（OER）高度依赖铱基贵金属催化剂。过渡金属氧化物电催化剂在酸性条件下进行OER时存在不稳定性问题，极大限制了它们在质子交换膜电解水（PEMWE）中的应用。为应对该挑战，团队将Co3O4中的部分Co替换为Ni和Ru调整其尖晶石结构（如图1），充分利用Co3O4中四面体和八面体位点之间的协同作用增强OER电催化活性和稳定性。结果表明，Ru是双原子氧机制中的活性位点，而Ni则稳定晶格氧和Ru−O键。NiRuCoOx催化剂表现出极低的OER过电位（166 mV@10 mA cm−2）。在PEMWE器件上达到3 A cm−2的电流密度仅需1.72 V，满足美国能源部（DOE）设定的2026目标（<1.8 V@3 A cm−2）。PEMWE装置可稳定运行1500小时，性能衰减率仅为0.025 mV h−1。该工作为开发低成本高效酸性水电解催化剂提供了可行借鉴，相关成果以“Tailoring octahedron-tetrahedron synergism in spinel catalysts for acidic water electrolysis”为题，发表于国际知名期刊J. Am. Chem. Soc.；论文第一作者为我校化学学院博士研究生霍孟田，通讯作者为我校化学学院常进法教授、邢子豪副教授以及美国中佛罗里大学杨阳教授。相关技术已经申请中国专利，申请号：202410593475X。此外，团队在水电解方面的相关系列工作先后发表于Small, 2025, 13, 2412729; Nano Res. 2025, 18(3), 94907243; ChemCatChem, 2025, 17(6), e202401950, Green Carbon, 2024, 2 403-404等。

NH4+超级电容器由于其低成本、高安全性、环境可持续性和高效的电化学能量存储能力，为未来的发展提供了较大潜力。目前的电极材料普遍存在层间距小、空间位阻大、充放电过程中活性位点与NH4+的可及率低，难以获得高容量电荷储存。此外，充放电过程中NH4+大量在层间运动，严重影响了电极材料稳定性。为此团队首次利用富含端氧位点的keggin型多金属氧酸盐{PMo12}作为活性中心，通过将其稳定限制分散在小孔径的Ag-BTC外表面，合成电极材料{PMo12}@Ag-BTC，实现NH4+与{PMo12}端氧位点的可及性，有效加快充放电的动力学过程。如图2，{PMo12}@Ag-BTC作为电极材料表现出明显的赝电容控制表界面储能过程，1 A g-1电流密度下的电容值为619.4 mAh g-1。组装的{PMo12}@Ag-BTC//{PW12}@Ag-BTC器件在20,000次循环测试中保持稳定，并在1.5 A g-1电流密度下获得了125.3 Wh kg-1的能量密度。该工作为多金属氧酸盐在NH4+超级电容器电极材料设计方面提供了新思路。相关成果以“Interface Storage Mechanism in Aqueous Ammonium-Ion Supercapacitors with Keggin-type Polyoxometalates-Modified Ag-BTC”为题，发表于国际知名期刊Adv. Mater.；论文的第一作者为我校化学学院博士研究生梁宇；通讯作者为我校化学学院常进法教授、朱广山教授以及邢子豪副教授。相关技术已经申请中国专利，申请号：202410593017.6。此外，团队在超级电容器方面相关系列工作还发表于Green Carbon, 2024, 2, 320-321等。

图2. {PMo₁₂}@Ag-BTC 的合成及超级电容器性能

氧电催化，包括氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），作为锌空气电池（ZABs）阴极充放电过程的主要反应，涉及四电子转移过程，其反应动力学仍然受到极大限制。团队开发了一种新型的FeADCoNPs@NC，该催化剂中的Fe具有两种存在形式，嵌插于Co晶格中的原子分散位点和负载于N-C的Fe-N1位点。Co晶格中的Fe位点促进了钴纳米颗粒向无定形CoOOH的转化，而Fe-N1则作为ORR的主要活性位点。当其作为锌空气电池的空气电极使用时，FeADCoNPs@NC表现出247.49 mW cm−2的功率密度。该工作揭示了一种有效结合单原子位点与属纳米粒子之间的协同作用以高效提升氧电催化性能的方法。相关成果以“Synergistically Promoting Oxygen Electrocatalysis through the Precise Integration of Atomically-dispersed Fe Sites and Co Nanoparticles”为题，发表于国际知名期刊Adv. Energy Mater.；论文的第一作者为我校化学学院博士研究生霍孟田；通讯作者为我校化学学院常进法教授、朱广山教授以及邢子豪副教授。相关技术已经申请中国专利，申请号：202410598685.8。此外，团队在金属-空气电池方面的相关系列工作先后发表于Nano Res. 2025, 18(2), 94907195; J. Energy Chem., 2025, 104, 127-135; Sep. Purif. Technol, 2025, 361, 131644; Sci. China Mater., 2024, 67, 4005-4012等。

图3. FeADCoNPs@NC的合成、表征及性能

以上研究成果得到基金委优青项目（海外）、重点项目、面上项目、青基项目、国家重点研发计划、我校启动基金等的大力支持。

常进法教授自2023年加入化学学院以来，作为通讯作者已在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等顶级期刊发表论文12篇，申请中国专利3项，获批基金委面上项目、省科技厅面上项目等。此外，常进法教授先后获第九届中国电化学青年奖（2024年）、《Nano Research》期刊优秀编委（2024年）、《Green Carbon》期刊优秀青年编委（2024年）、Wiley SCINEXT青年奖（2024年）、中国化学会纳米能源研究学术新星奖金奖（2023年），同时作为多酸与网格材料化学教育部重点实验室的骨干成员，获吉林省第三批高校“黄大年式教师团队”等荣誉。

相关论文的链接网址：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00665

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415545

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202405155

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202412729

https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2025.94907243

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586625002412

https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2025.94907195

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495625000087

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.202401950

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-024-3126-1

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000570

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000454