电催化水氧化作为核心电极反应，是一个能耗高且动力学缓慢的复杂过程，因此需要高效的催化剂降低反应能垒。目前已知的过渡金属基碱性水氧化催化剂虽然活性较好，但在强氧化、大电流的水氧化催化过程中，金属活性位点会因为过度氧化而发生结构畸变，继而引发活性相溶解、脱落。因此，瞄准电解水能源转换技术应用水平，设计开发高活性与高稳定性兼得的碱性水氧化催化剂意义重大但仍面临巨大挑战。
针对上述问题，蛋白质设施用户上海硅酸盐研究所严雅研究员团队创新性的提出了多酸接枝固定水氧化活性位点设计方法，首次制备出了高效多酸接枝的单层钴铁氢氧化物超结构水氧化催化剂（图1）。该方法通过定向接枝方法，将二维钴铁金属有机骨架与多金属氧酸盐组装，获得多酸接枝的金属有机骨架（MOF@POM）超结构。
图1 MOF@POM超结构及表征
该催化剂在碱性电解液中表现出优异的催化活性（图2）：10 mA/cm2电流密度下过电位仅为178 mV，显著优于过渡金属基催化剂。进一步集成于阴离子交换膜（AEM）电解槽时：在80℃、3 A/cm2条件下槽压仅为1.78 V，低于美国能源局设定的2025年工业化标准；室温条件下在2 A/cm2高电流密度下连续运行5140小时，电解槽的衰减速率仅为0.02 mV/h，60 C高温下亦可稳定运行2000多小时，综合性能远超各类过渡金属基催化材料。
图2 MOF@POM的活性和实际运行中的稳定性
原位电化学谱学研究发现（图3），该结构中钴和铁位点作为活性中心其价态不断升高，而镍氧桥和钨氧骨架作为配位调节基元其价态规律振荡，多酸出色的氧化还原特性有效解决了现有水氧化金属活性位点氧化还原不可逆调控难题。实验结合理论进一步证实Ni-O桥通过晶格应变释放稳定Co/Fe催化活性位点，多酸中金属W价态振荡（W5+/6+）动态调控电子密度；同时多酸基元协同降低氧活化能垒，形成应力-电子双层维度稳定机制，从而突破了传统催化剂的性能瓶颈。
图3 MOF@POM的原位转变过程以及结构分析
该研究不仅开发出了一种新型高性能电催化水氧化催化剂，还为高活性高稳定性电催化剂设计研究提供了新范式，也推动了碱性电解水技术向高电流、低能耗方向发展。本研究在结构表征方面得到了国家蛋白质科学研究（上海）设施BL17B和BL01B线站的大力支持，其中XAFS测试在BL17B完成，原位红外实验在BL01B完成，卢兰露和钟佳佳提供了关键的技术支持与指导。相关成果以“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”为题发表在期刊《科学》（Science）。
