因具備大規模氫能發展的前景，電催化水分解受到了廣泛的研究關注。要進行經濟的電化學催化全反應設計，必須同時考慮產氫以及產氧兩個半反應。然而產氧半反應因牽涉四電子轉移反應，於整體水分解反應中較不易進行，因此開發高效的產氧催化劑成為電催化水分解的重要課題。現今，較為高效的產氧催化劑多為過渡金屬氧化物。而過渡金屬氧化物的催化特性與金屬部份的電子組態息息相關，適當的電子組態可提高催化劑對於目標物的吸附強度以促進反應的進行；並且若催化劑具有與反應中間產物相似的電子組態也可以進一步降低反應所需的活化能。
尖晶石四氧化三鈷是常見的水分解產氧反應催化劑，其由兩種不同價態的鈷陽離子（二價和三價）與氧陰離子組成，先前南洋理工大學化學與生物醫藥工程學院劉彬教授團隊在JACS上的研究表明：四氧化三鈷在產氧反應中實際有催化活性的部份為四面體配位的二價鈷金屬離子而八面體配位的三價鈷離子僅顯現了電容方面的特性，對整體催化反應沒有特別的幫助。然而，在計量學中，在一個四氧化三鈷晶包中僅擁有一個二價鈷離子，但擁有兩個三價鈷離子，因此若能適當地對數量較多但未具備活性的鈷三價離子進行活化，當能大幅提高產氧反應的效率。近期劉彬教授團隊提出通過金屬有機框架材料(MOF)對傳統尖晶石四氧化三鈷進行表面改質從而提升產氧反應效能。
催化劑表面活性是催化反應的關鍵因素，劉彬團隊通過活化的步驟使四氧化三鈷表面三價鈷離子與氧離子的間距增加，從而使鈷金屬的電子組態隨之改變進而影響整體催化性能。由拉曼光譜與同步輻射X光吸收光譜分析顯示，此活化方式可改變三價鈷離子的電子組態，三價鈷的電子組態在一般的情形下為t2g6，這顯示並沒有任何的電子在eg 能階上， eg能階上的電子與吸附物的密切關係影響了催化反應的效能。實驗研究中，被活化的三價鈷離子的電子組態轉化為t2g4eg2，在eg上的電子不但增加了催化反應中對反應物的吸附能力(由XPS吸收光譜得知)，而且使其活化後電子組態與產氧反應中重要的中間產物CoOOH的電子組態相似，可助於產氧反應的進行。電化學量測結果上顯示，電催化產氧反應的過電壓大幅降低、催化反應的性能獲得了極佳的改善。該團隊通過電化學阻抗分析法觀察到活化後的Co3+的電荷轉移電阻(Rct)明顯地小於未活化的Co3+，這個結果可再一次證明電催化產氧反應的效能被大幅的提升。
此研究對於催化材料的設計提出了新的思維，高效的催化材料的電子組態應與中間產物的電子組態相近，以此降低反應所需的能量，提升反應效率。相關文章在線發表在Small Methods（DOI: 10.1002/smtd.201800001)上。