蘇州納米所崔義團(tuán)隊(duì)在堿性電解水制氫領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
電催化析氫反應(yīng)（HER）通過電解水的形式將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在氫氣中。堿性HER可以避免催化劑的酸性腐蝕和溶解問題，且可以使用非貴金屬催化劑進(jìn)行大規(guī)模推廣。但是與酸性HER過程中的直接質(zhì)子耦合電子反應(yīng)相比，堿性HER過程中可用質(zhì)子的缺乏嚴(yán)重降低了反應(yīng)的活性，通過調(diào)節(jié)催化劑表面質(zhì)子的覆蓋度和化學(xué)環(huán)境可以有效加速堿性HER過程。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所崔義研究員團(tuán)隊(duì)通過在堿性環(huán)境中構(gòu)建局域酸環(huán)境的策略和多種光譜表征手段的綜合運(yùn)用，在堿性電解水制氫（HER）領(lǐng)域取得系列創(chuàng)新成果，通過精準(zhǔn)調(diào)控碳化鉬表面酸強(qiáng)度及設(shè)計(jì)高性能單原子催化劑，顯著提升催化活性和穩(wěn)定性。相關(guān)研究連續(xù)發(fā)表于Nature Communications、ACS Catalysis等學(xué)術(shù)期刊，為高效堿性HER催化劑的開發(fā)提供了新思路。
1.碳化鉬表面酸調(diào)控技術(shù)的模型催化劑研究
針對(duì)碳化鉬在堿性電解水制氫反應(yīng)中存在的瓶頸難題，崔義研究員團(tuán)隊(duì)基于“從模型催化出發(fā)，指導(dǎo)實(shí)際催化體系構(gòu)建”的研究思路，對(duì)此進(jìn)行了深入的探究，并分別在ACS Catalysis (2024,14,16712)和Nature Communications (2025,16,418-418)上報(bào)道了一種電催化研究的通用策略。
在ACS Catalysis工作中，團(tuán)隊(duì)通過氧修飾的碳化鉬模型催化劑，結(jié)合Nano-X在材料合成上“邊制備、邊表征”的優(yōu)勢(shì)，揭示了水分子解離速率和羥基脫附速率對(duì)堿性HER活性的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，氧化程度最低的Mo2C/MoOx樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的HER活性，主要?dú)w因于其表面更快的水分子解離和OH*中間體脫附速率，揭示了水分子解離速率和羥基脫附速率在模型催化劑研究中的重要意義，為設(shè)計(jì)用于實(shí)際堿水電解碳化鉬基催化劑提供了一條途徑。
圖1.氧修飾Mo2C模型電催化劑的制備和模型電催化劑的堿性HER反應(yīng)準(zhǔn)原位XPS表征
2.碳化鉬模型催化劑指導(dǎo)實(shí)際催化劑的表面酸度調(diào)控
進(jìn)一步的，基于前期對(duì)于碳化鉬模型催化劑的合理設(shè)計(jì)，在Nature Communications工作中，團(tuán)隊(duì)基于Nano-X真空互聯(lián)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成功實(shí)現(xiàn)了Al-MoO2@Mo2C模型催化劑的可控合成，在碳化鉬表層摻雜兩性Al3?氧化物，成功構(gòu)建了結(jié)構(gòu)可控的催化體系。通過先進(jìn)的表征手段，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了Al添加劑的引入有助于提高碳化鉬催化劑在堿性HER過程中的活性和穩(wěn)定性，同時(shí)也可以增強(qiáng)表面氧化封端的抗堿析出性。借鑒“模型催化”的研究思路，進(jìn)一步在粉末體系中得到證實(shí)，Al-MoO2封端內(nèi)的局部-Al-OH-Mo-結(jié)構(gòu)可作為強(qiáng)Br?nsted酸位點(diǎn)，加速堿性HER過程中的去質(zhì)子化動(dòng)力學(xué)。進(jìn)而提出碳化鉬表面的高活性氧化層在類酸性環(huán)境中催化堿水電解制氫反應(yīng)的機(jī)制。
圖2. Al-MoO2@Mo2C模型催化劑的可控制備、電化學(xué)性能測(cè)試和譜學(xué)表征
3.實(shí)際單原子催化劑的表面酸度調(diào)控的擴(kuò)展研究
為克服高pH堿性電解質(zhì)中低質(zhì)子濃度和活性的化學(xué)屬性，依托電化學(xué)梯度pH的設(shè)計(jì)理念，在單原子催化劑表層構(gòu)建類酸界面層可以顯著提高堿性電解水析氫催化活性。為此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將模型催化研究過程中得到的結(jié)果擴(kuò)展到貴/非貴金屬單原子催化劑在堿性電解水析氫中的表面酸環(huán)境的調(diào)控，并分別在ACS Catalysis (2024,14,16712-16722)和ACS Catalysis (2025,16,418-418)上報(bào)道了相關(guān)的單原子催化劑酸環(huán)境調(diào)控的方法和策略。
基于前期Mo基材料酸度調(diào)控工作，利用兩性Al3+的摻雜/修飾可以在催化劑局部形成-Al-OH-Mo-結(jié)構(gòu)作為強(qiáng)Br?nsted酸位點(diǎn)，加速堿性HER過程中的去質(zhì)子化動(dòng)力學(xué)。因此團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在鉬單原子固體酸催化劑研究中，設(shè)計(jì)了一種Mo-P-Al@NF單原子催化劑，通過鋁氧陰離子（AlO??）和磷酸根（PO?3?）的協(xié)同配位，在堿性電解質(zhì)中催化劑表面原位形成了布朗斯特酸位點(diǎn)，構(gòu)建出富質(zhì)子環(huán)境的類酸性界面。利用真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)催化劑材料在經(jīng)歷堿水電解析氫反應(yīng)前后的表面化學(xué)性質(zhì)，成功捕捉到催化劑表層產(chǎn)生豐富的含氫物種，尤其是水合氫離子（H3O+）濃度顯著提升，證實(shí)了Mo-P-Al@NF材料在堿水電解析氫過程中表層酸化的特征，從而實(shí)現(xiàn)了高效且穩(wěn)定的堿性電解水制氫反應(yīng)。
圖3. Mo-P-Al@NF催化劑單原子電鏡圖和表面酸度表征
以上成果分別發(fā)表在ACS Catalysis (2024,14,16712-16722)，Nature Communications (2025,16,418-418)，ACS Catalysis (2024,14,8238-8251)和ACS Catalysis (2025,15,2270-2281)上，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所崔義研究員。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)、江蘇省青年基金和蘇州納米所Nano-X的支持。
附件下載：
