本站讯 近日，中国海洋大学材料科学与工程学院黄明华教授课题组在阴离子交换膜电解水制氢（AEMWEs）领域取得重要进展，相关成果分别发表于国际知名学术期刊Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）和ACS Nano（《美国化学会 纳米》）。
开发电解水制氢等清洁高效的能源转换技术，是构建绿色氢能经济的重要途径。AEMWEs因兼具成本优势与环境友好特性，在可持续制氢领域展现出广阔的应用前景。然而，其阴极析氢反应（HER）在碱性条件下涉及额外的水解离步骤及多种反应中间体的协同转化，导致高电流密度下反应动力学显著受限，传统针对单一步骤的优化策略难以突破这一瓶颈。因此，亟需构建具有协同活性位点的高效HER催化剂，并系统揭示其多基本反应步骤之间的内在耦合机制，以推动高性能AEMWE体系的发展。
针对上述问题，课题组巧妙地将生物酶催化中的“正反馈”与“级联催化”概念引入电催化析氢反应（HER）领域，成功设计出一种氮掺杂碳负载的NiRu双单原子与合金团簇催化剂（Ni1Ru1-NiRu@NC）。在该催化剂中，原子态Ni与合金化Ni可精细调控邻近Ru的电子结构，形成同时包含缺电子Ru位点（作为路易斯酸中心）和富电子Ru位点（作为路易斯碱中心）的结构，从而构建出独特的同源受阻路易斯酸碱对。该酸碱对协同作用实现高效析氢，其中酸位点负责高效解离水分子并提供质子，产生的质子通过快速氢溢流传递至相邻碱位点，进而结合生成氢气；而碱位点对质子的快速消耗反过来驱动酸位点持续进行水分子解离，形成自增强的正反馈催化循环。该催化剂在电流密度高达1.0 Acm⁻²时，过电位仅为246mV，且可稳定运行超过800小时。以其组装的电解槽在1.0 Azcm⁻²电流密度下持续运行超过1000小时，衰减率仅为0.015mV h⁻¹。该工作提出了一种基于正反馈驱动的耦合策略，实现了HER各基元步骤的级联加速，为高效碱性析氢催化剂的设计及阴离子交换膜水电解槽的实用化提供了新思路。相关成果以“Positive Feedback-Driven NiRu Frustrated Lewis Pairs Catalyst Enables a Self-Reinforcing Catalytic Cycle for Cascade-Coupled Hydrogen Production”（正反馈驱动的NiRu受阻路易斯酸碱对催化剂实现级联耦合产氢的自增强催化循环）为题，发表于Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）。
图1. 碱性析氢反应中催化剂正反馈机制的研究
同时，课题组还构建了一种基于氨基功能化NiRu金属有机框架（MOF）的FLPs催化剂。在该催化剂中，氨基基团与金属Ni位点自发形成FLPs协同活性中心，能够显著促进水分子吸附与解离，生成质子并在局部构建有利于质子迁移的酸性微环境。同时，氨基基团通过电子调控效应调变邻近Ru位点的电子结构，降低其氢脱附能垒，并利用连续的短程氢溢流通道加速氢物种的释放，从而整体提升碱性析氢反应动力学。得益于上述协同机制，该催化剂在工业电流密度下展示了优于商业铂基催化剂的HER活性与耐久性。以其组装的AEMWE表现出较低槽压（1.76 V @ 0.5 A cm-2）与较高能量效率（71.2%）。该研究为高效、长寿命析氢催化剂的理性设计提供了新的思路。相关成果以“Frustrated Lewis Pairs Enable Continuous Short-Range Hydrogen Spillover for Industrial-Scale Hydrogen Evolution”（受阻路易斯对促进连续短程氢溢流以实现工业规模析氢反应）为题发表于ACS Nano（《美国化学会 纳米》）。
图2. 碱性/中性介质中用于析氢反应的MOF催化剂体系的氢溢流示意图
这些发现深化了对于受阻路易斯酸碱对催化剂在高效析氢反应中的协同催化机理及结构-性能相关性的认识，为阴离子交换膜电解水制氢技术的实用化发展提供了关键理论依据与材料支撑。该系列研究工作得到了国家自然科学面上基金、国际（地区）合作与交流项目、山东省自然科学基金等资助，中国海洋大学为第一通讯作者单位。
文/图：童科程
文章链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202523215
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13246
编辑：袁艺
责任编辑：刘莅
