氢能，作为一种资源充裕、环境友好且应用领域广泛的二次能源，对于构建清洁高效的能源系统以及实现碳达峰和碳中和的宏伟目标具有至关重要的作用。现阶段，在政策的有力支持下，我国氢能源产业已迈入快速发展的新阶段。其中，绿氢即通过电解水过程产生的氢气，电解水制氢作为一种零碳排放的制氢技术，已经引起了业界的广泛关注。然而，电解水过程中存在的较大能量势垒需要通过开发高效的电催化剂来克服。目前，低本征活性、催化过程中反应中间体线性关系的制约以及活性位点的毒化等问题，仍然是制备高效水分解电催化剂所面临的主要科学挑战。针对这些挑战，我校化科院孙瀚君教授领导的研究团队，近年来一直致力于高效电解水催化剂的设计和开发。通过一系列深入的研究工作，该团队在提升催化剂性能方面取得了显著进展，为推动氢能源技术的绿色转型和可持续发展做出了重要贡献。

首先，针对催化剂本征活性低的问题，团队成员通过优化活性位点与反应中间体之间的相互作用来提升催化活性（图1）。具体而言，通过金属-载体相互作用调控金属Ru的局域电子结构，Ru电荷的提升有效削弱了Ru-H吸附强度，由此加速氢析出反应过程中H的脱附步骤（Mater. Chem. Frontiers, 2023, 7, 4100）。此外，为了应对氧气析出反应过程中Ru-O吸附强度过强的问题，团队引入强嗜氧物种Sn以削弱对O吸附，实现高效析氧（J. Mater. Chem A, 2023, 11, 23489）。

图1 优化活性位点与反应中间体之间相互作用强度提高电催化水分解活性

随后，针对反应过程中存在的活性中间体之间线性关系的约束，团队成员采用改变催化反应路径的策略打破催化过程中的线性约束（图2）。例如，针对Co₃O₄在酸性介质中活性/耐久性受限的问题，通过Ru对四面体位点Co的选择性取代调节Co-O共价性，促进酸性析氧反应过程由AEM机制向LOM机制转变（Chem. Sci., 2024, 15, 17900）。此外，针对Ru单原子活性位点单一且难以同时促进多步基元反应的问题，团队通过接力式催化构建H溢流以促进H的脱附（Appl. Catal. B, 2023, 325, 122316）。

图2 改变催化反应路径的策略打破催化过程中的线性约束

最后，针对活性位点毒化的问题，团队成员提出了引入额外的吸附位点缓解活性位点毒化的策略（图3）。例如，针对析氢反应过程中具有强亲氧性的Ru活性位点易被羟基物种占据而造成活性位点毒化的问题，团队通过引入额外的嗜氧物种SnO₂来构建竞争吸附以缓解Ru位点对OH的毒化效应（Angew. Chem. Int. Ed, 2022, 61, e202209486）。以此为基础，团队进一步构建了短程的M-O-W活性区域，通过H吸附-O吸附协同调控来降低水解离能垒（Small, 2024, 2407881）。

图3 引入额外的吸附位点缓解羟基对活性位点毒化

在这些研究基础上，团队成员发表了题为“Electrocatalysts Design Guided by Active Intermediates of Hydrogen Evolution Reaction”的综述（Adv. Energy Mater., 2023, 13, 2302436），回顾了近些年来水分解活性中间体调控方向的研究进展，并提出了所面临的挑战和未来可能的发展方向（图4）。

该系列工作主要由团队博士研究生张嘉晨、贾姝钰，硕士研究生刘国聪完成，并得到了德累斯顿工业大学冯新亮教授、东南大学黄凯教授和南京师范大学唐亚文教授团队的支持。该系列工作由国家重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金青年项目、江苏省特聘教授、江苏省自然科学基金青年项目等经费资助完成。