💡这项突破是什么?
氢氧化反应（HOR）和氢析出反应（HER）分别是阴离子交换膜燃料电池和水电解制氢装置中的关键电极反应。与酸性体系相比，碱性介质中的氢电催化动力学更为迟缓，其反应过程不仅受到水分子解离动力学的限制，还涉及氢中间体与含氧中间体吸附行为之间的复杂耦合。对于原子簇催化剂而言，还面临超小尺寸金属簇易迁移、聚集以及CO杂质易造成活性位点中毒等问题。因此，如何在提高贵金属利用效率的同时，兼顾原子簇结构稳定与氢/含氧反应中间体的协同调控，是发展高效碱性氢电催化剂面临的重要科学问题。锇（Os）具有与铂、钌相近的电子结构，同时在铂族金属中价格相对较低，为构筑低贵金属用量的碱性氢电催化剂提供了新的材料选择。然而，如何稳定超小Os原子簇，并缓解单一Os位点对H*、CO*及H₂O/OH*等物种吸附调控之间的相互制约，仍是实现其高效催化的关键挑战。
针对上述问题，西安交通大学化学学院曾令有研究员（丁书江教授团队）携手北京大学郭少军教授，提出了“碳微孔限域稳定原子簇和邻近亲氧性镓单原子调控界面反应”的催化剂设计策略，构筑了微孔限域Os原子簇/Ga单原子多孔碳气凝胶催化剂（Os AC/Ga₁@pCA）。该设计将原子簇的结构稳定与界面反应中间体的功能性调控结合起来。一方面，多孔碳气凝胶中的微孔空间对尺寸约1 nm的Os原子簇形成空间限域，有效抑制其在合成及长期运行过程中的迁移和聚集，从而增强超小原子簇的结构稳定性。另一方面，分散于N掺杂碳骨架中的亲氧性Ga单原子与Os原子簇保持局域空间邻近，并通过碳骨架介导的电荷重分布调节Os原子簇的电子结构，使Os d带中心下移，进而减弱Os位点对H*和CO*的过强吸附。与此同时，亲氧性Ga位点能够与H₂O/OH*物种发生较强相互作用，促进界面水的吸附、极化和解离。由此，Os原子簇主要调控H*吸附与转化，邻近Ga位点则强化水/羟基相关反应过程，从而在空间和功能上缓解单一金属位点同时调控氢中间体与含氧中间体所面临的吸附能制约。
得益于上述结构和界面协同调控，Os AC/Ga₁@pCA表现出优异的双功能碱性氢电催化性能。在碱性HOR中，其质量活性达到7.29 A mgOs-1，为商业Pt/C的约19.4倍；在碱性HER中，该催化剂仅需14 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²，并在100 mV过电位下实现2185.5 A gOs-1的质量活性。进一步地，研究团队将Os AC/Ga₁@pCA作为阴极催化剂组装阴离子交换膜水电解器件。在阴极Os负载量仅为0.09 mg cm⁻²的条件下，器件在1.8 V下实现4.8 A mgOs-1的质量活性以及370.7 A dollar⁻¹的铂族金属（PGM）价格归一化活性。在80 ℃、500 mA cm⁻²的运行条件下，电解器可连续稳定运行超过300 h，平均电压衰减速率仅为48.6 μV h⁻¹。该研究通过微孔限域与邻近异质单原子的协同设计，将原子簇稳定、电子结构调控、H*/CO*吸附优化与H₂O/OH*活化整合于同一催化界面。这一工作为解决原子簇催化剂“稳定性-活性-抗中毒性能”之间的多重制约提供了新的设计思路，也为发展低贵金属用量、高利用效率和高稳定性的碱性氢能转换催化剂提供了新的研究路径。
研究成果以《亲氧性镓单原子调控微孔限域锇原子簇实现高效碱性氢电催化》（Oxophilic Gallium Single-Atom Regulating Micropore-Confined Os Atomic Clusters Enables Efficient Alkaline Hydrogen Electrocatalysis）为题，发表于国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。西安交通大学化学学院为论文第一署名单位。西安交通大学化学学院硕士生杨梦洋、博士生李领、硕士生贺宇恒及李迪助理教授为论文共同第一作者，西安交通大学化学学院曾令有研究员和北京大学郭少军教授为论文共同通讯作者。特别感谢西安交通大学化学学院丁书江教授和肖春辉教授对该工作给予的重要指导与支持。该研究得到国家自然科学基金、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”等项目的支持，并获得西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台、西安交通大学分析测试中心在测试表征方面的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2044894
