Advanced Science | 江西師范大學鐘聲亮/徐華蘭破解水制氫百年難題!

在追求碳中和的背景下，氫能以其高能量密度和零碳排放的優勢，被視為未來能源體系的核心。電催化水分解技術因其環境友好和可規模化的潛力而備受關注。然而，這項技術的商業化長期受制于兩個關鍵半反應——陰極的析氫反應（HER）和陽極的析氧反應（OER）——的動力學限制。尤其是涉及四電子轉移的析氧反應過程緩慢，極大制約了整體能量轉換效率。在堿性條件下，析氫反應還需額外克服水的解離步驟，進一步增加了催化劑設計的復雜性。目前，商業基準催化劑仍依賴鉑、銥、釕等稀缺貴金屬，高昂的成本和有限的穩定性嚴重阻礙了其大規模應用。

2026年3月30日，江西師范大學化學與材料學院鐘聲亮、徐華蘭研究團隊在《Advanced Science》期刊上發表題為《MOx/Rh Metallene with Energetic Interfaces as Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Durable Water Splitting》（具有高能界面的MOx/Rh金屬烯作為高效雙功能電催化劑用于持久水分解）的研究論文。該研究通過巧妙設計二維銠金屬烯與過渡金屬氧化物納米團簇的異質界面，成功開發出一種兼具高效析氫與析氧性能的雙功能電催化劑，為堿性水電解制氫提供了全新思路。

研究團隊采用氣氛可控的溶劑熱法，成功構筑了由超薄銠金屬烯基底和均勻分布的FeOx、CoOx、NiOx納米團簇組成的二維/零維異質結構。電子顯微鏡觀察顯示，所得FeOx/Rh金屬烯呈現獨特的納米花形貌，橫向尺寸達微米級，銠金屬烯厚度僅為1.47納米，表面均勻附著3-5納米的氧化鐵納米團簇。高分辨透射電子顯微鏡清晰展示了銠金屬的（1/3(422)）晶面與Fe?O?的（420）晶面共存，證實了金屬與氧化物相在原子尺度的緊密結合。元素分布圖進一步表明，銠和鐵元素在整個納米結構中均勻分布，形成了豐富的異質界面。

X射線光電子能譜分析揭示了FeOx/Rh金屬烯界面的電子協同效應。與純銠金屬烯相比，FeOx/Rh中銠的3d電子結合能發生0.1電子伏特的負移，表明鐵氧化物的引入誘導電子向銠位點轉移。X射線吸收精細結構譜則深入解析了材料的局域配位環境。鐵元素X射線吸收近邊結構譜顯示，FeOx/Rh中鐵的價態接近三價，其擴展X射線吸收精細結構譜中未出現明顯的鐵-鐵鍵信號，證實體相鐵以高度分散的氧化物團簇形式存在。同時，銠的擴展X射線吸收精細結構譜中銠-銠鍵的峰強度較純銠金屬烯有所降低，這為氧化鐵團簇與銠金屬烯之間的強電子相互作用提供了直接證據。

在堿性電解液中，FeOx/Rh金屬烯展現出卓越的析氫性能。電化學測試表明，達到10毫安每平方厘米的電流密度僅需20毫伏過電位，塔菲爾斜率低至71.3毫伏每十年，顯示出快速的反應動力學。其析氧性能同樣出色，在10毫安每平方厘米電流密度下過電位為230毫伏，塔菲爾斜率為71.3毫伏每十年。尤為重要的是，該材料在25小時的長期穩定性測試中性能幾乎無衰減，遠優于商業鉑碳和氧化釕催化劑?；贔eOx/Rh金屬烯構建的雙電極全解水系統，僅需1.53伏的電池電壓即可驅動10毫安每平方厘米的電流密度，顯著優于商業鉑碳‖氧化釕體系的1.64伏。將這一電解池與小型太陽能板連接，可清晰觀察到氫氣和氧氣的穩定析出，展示了其在分布式能源系統中的實用潛力。

密度泛函理論計算揭示了性能提升的微觀機制。計算表明，FeOx/Rh對水分子的吸附能最強，有利于加速堿性析氫反應的關鍵沃爾默步驟。同時，FeOx/Rh的氫吸附自由能（-0.057電子伏特）接近熱中性值，優于其他過渡金屬氧化物修飾的體系。態密度分析顯示，FeOx的引入使銠的d帶中心下移，優化了氫中間體的吸附強度，避免了過強吸附導致的產物脫附困難。在析氧反應路徑中，FeOx/Rh顯著降低了從氧中間體（O）轉化為過氧氫中間體（OOH）這一速率決定步驟的自由能壘，從純銠金屬烯的1.88電子伏特降至0.66電子伏特。此外，FeOx/Rh表面對氧氣分子的吸附最弱，有利于產物快速脫附，確保活性位點的及時再生。

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