图1. Nature论文海博论坛截图
7月7日，上海交通大学，金属基复合材料全国重点实验室张荻院士团队、宋钫（国家高层次人才）课题组与中国台湾大学陈浩铭团队、韩国汉阳大学Young Moo Lee院士团队合作，在超薄二维纳米片的合成与电催化应用研究领域取得重要突破。研究成果以“Topochemical exfoliation of metal oxyhydroxides for the electrolytic oxygen evolution reaction”为题，发表在Nature子刊Nature Synthesis上。
张荻院士研究团队长期致力于自然与生物体系中遗态拓扑构型材料的构建与功能探索，以天然拓扑结构为灵感，发展出多种复杂结构的材料体系。此次工作中，团队将研究重心由结构层级的自然拓扑延伸至反应路径主导的拓扑化学过程，通过一项基于化学氧化诱导的拓扑转化策略，成功实现了金属羟基氧化物（MOOHs）从体相晶体向二维超薄纳米片的高效剥离。二维MOOHs材料因其可调带隙、高电子迁移率和高比表面积等独特理化特性，在电子器件、能源存储和电催化等领域备受关注，然而其层间作用力强、难以剥离的问题长期制约着其应用发展。本研究通过引入高反应性活性氧物种作为“化学植入”功能基团，调控材料层间静电作用与排斥势能，显著提升了剥离效率和胶体稳定性。结合光谱分析与理论模拟，进一步揭示了碱金属离子在稳定带负电的活性氧物种、调节层间排斥力中的关键作用。本研究所提出的拓扑化学表面植入策略为难剥离层状金属氧羟化物的大规模制备提供了全新思路。通过揭示碱金属阳离子与活性氧物种之间的协同作用机制，为构建稳定且高效的二维材料体系提供了理论指导与实践路径，有望推动更多类层状难剥离化合物向功能化二维材料的转化与应用，为遗态拓扑构型材料的构建提供了面大量广的功能基元。
图2. 金属羟基氧化物的拓扑化学剥离原理示意图
- 聚焦单金属深入机制本源，拓展多金属印证普适策略
图3. 剥离产物的结构表征
本研究以Co(OH)₂为模型体系，构建出一条基于拓扑化学氧化的剥离路径，成功实现了金属氧羟化物从体相到稳定水分散二维胶体的转化。以Cs⁺-CoOOH为代表，所得纳米片具备高结晶性、厚度约1.2 nm、横向尺寸约100 nm，并展现出良好的胶体稳定性和均匀分散特点。系统材料表征表明，活性氧物种（–OO·）的生成量与碱金属离子半径密切相关，Cs⁺体系表现出最高的剥离效率和电子结构调控能力。研究通过实验与理论结合，提出三重协同机制：其一，活性氧物种与碱金属阳离子的静电作用诱导层间膨胀；其二，H₂O₂分解所释放的O₂微泡提供物理解层推力；其三，Co³⁺/Co⁴⁺的氧化态调控促进–OO·物种形成，显著加速结构解离。理论计算结果进一步支持了该机制，证明了较大的碱阳离子增强了电子富集程度，使晶格氧更易形成O–O桥键，同时Co位点发生电子耗散，表现出过度氧化特征，与实验观测高度一致。
在机制厘清的基础上，该策略进一步推广至CoFeOOH、CoNiOOH和NiFeOOH等双金属体系，通过优化氧化剂浓度与反应条件，同样实现了多组分体系的成功剥离与稳定胶体分散，表现出良好的通用性和结构适应性。尽管不同金属体系存在价态差异和结构复杂性，拓扑化学剥离路径依然有效发挥作用。这部分研究结果为构建稳定、高浓度、成分结构可调的二维金属氧羟化物材料提供了新范式，也为二维催化材料的大规模制备与应用奠定了理论与技术基础。
- 水基胶体稳定分散，电解器件性能出众
拓扑化学剥离策略赋予了Cs⁺-MOOH纳米片优异的电催化性能，剥离产物为浓度可调的水基分散胶体，兼具高反应活性、高稳定性与良好的成膜适配性。在三电极测试中，该系列材料在多个性能指标上均超越块体材料和商用IrO₂，表现出显著的动力学优势与单位面积催化能力，验证了活性氧物种与碱离子调控机制的有效性。进一步在实际阴离子交换膜水电解器（AEMWE）中进行的器件测试表明，该系列纳米片同样表现出极为优越的实际应用性能。Cs⁺-NiFeOOH和Cs⁺-CoFeOOH等纳米片催化剂在80 °C下展现出出色的器件性能，在1.62 V电压下即可实现1 A cm⁻²的工作电流，优于商用IrO₂基准材料；其中Cs⁺-CoFeOOH表现最优，在2.0 V时电流密度高达10.85 A cm⁻²。稳定性测试表明，Cs⁺-CoFeOOH阳极在60 °C、1 A cm⁻²恒流条件下连续运行450小时，电压仅以约0.3 mV h⁻¹的速率缓慢衰减，表明其在高电流密度与长时运行条件下仍具卓越耐久性。
图4. MOOH纳米片的电化学性能和AEMWE性能
Nature Synthesis审稿人认为该研究提出的拓扑化学氧化方法策略新颖，并指出“作者成功设计了可剥离的金属氧羟化物材料，展现出良好的活性与稳定性”，同时“该方法具备一定的规模化潜力”。特别指出，在实际阴离子交换膜水电解器（AEMWE）中的性能表现“异常出色”，展现出强大的应用潜力。
该工作由上海交通大学张荻院士领衔，上海交通大学宋钫副教授、中国台湾大学陈浩铭教授为论文共同通讯作者，海博论坛 博士生王思弘为论文第一作者，上海交通大学为论文第一完成单位。韩国汉阳大学Young Moo Lee院士和胡川博士为器件表征提供了重要支持。
本研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、国家高层次青年人才项目、上海交通大学2030计划的的资助。该工作已获得相关发明专利授权。
文稿：宋钫课题组