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中南大学潘军Nat.Commun: 结晶/非晶异质界面处电子的动态调控促进酸性氧还原反应

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-31 18:31

正文

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▲第一作者：刘美欢

共同通讯作者：潘军，苏徽

通讯单位：中南大学，湖南师范大学

论文DOI：10.1038/s41467-025-58193-8（点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

基于异质催化剂中界面电子相互作用对反应中间体吸附强度和构型的关键影响，这直接决定了多步串联催化过程的效率。非晶-晶态（a-c）异质结构因其独特的原子排列、可调节的电子构型和优异的稳定性而受到广泛关注。研究者旨在通过设计具有非晶-晶态界面的催化剂，优化电子分布，从而提升催化性能，特别是在酸性氧还原反应（ORR）中的应用。这一研究为解决高效电催化剂设计中的关键问题提供了新方向。

背景介绍

开发绿色能源转换技术，如质子交换膜燃料电池（ PEMFCs ），是减少化石能源依赖的重要途径。然而， PEMFC 的阴极反应 —— 氧还原反应（ ORR ）涉及复杂的四电子转移过程，导致动力学缓慢，成为提高效率的瓶颈。目前，纳米结构的铂（ Pt ）基材料仍是最活跃的 ORR 电催化剂，但高 Pt 用量阻碍了 PEMFC 的商业化进程。近年来，将 Pt 与廉价过渡金属（ M ）合金化成为提高 ORR 质量活性和降低成本的策略，但过渡金属的浸出会降低催化活性和耐久性。因此，设计兼具高活性和稳定性的电催化剂成为当务之急。当前研究通过原子掺杂、形态调控和表面功能化策略调节 Pt 基催化剂的电子结构，从而优化反应物种的吸附和去离子化过程，提升催化性能。特别是，构建原子级异质结构可通过界面电子相互作用引发电子转移，促进电荷传输，增强电催化性能。非晶 - 结晶（ a-c ）异质结构能够缓解晶格失配问题，并在电催化应用中展现出潜力。

本文亮点

（ 1 ）利用模板法合成了具有丰富的非晶 - 结晶异质界面的 ac-Ni(OH) ₂ @m-Pt 催化剂，促使界面电子重排，提升了 Pt 基催化剂酸性 ORR 活性和选择性。

（ 2 ）利用原位同步辐射技术观察到 a-c 异质界面电子的动态循环，这种界面协同作用能够加速催化剂表面 *OH 的形成，实现了快速四电子 ORR 过程。

图文解析

图 1. ac-Ni(OH) ₂ @m-Pt 催化剂形貌表征

通过模板法成功制备了具有丰富的非晶 - 结晶异质界面的 ac-Ni(OH) ₂ @m-Pt 催化剂。

图 2. ac-Ni(OH) ₂ @m-Pt 催化剂电化学性能表征

ac-Ni(OH) ₂ @m-Pt 在酸性溶液中展现了优异的 ORR 性能，质量活性 (MA) 在 0.9 V 时高达 0.95 A mg _Pt ^-1 。并且在 15000 次循环后仍能保持良好的耐久性（ 89.8% 的 MA 保留率）

图 3. 原位同步辐射表征技术获得催化剂反应机理

先进的表征和理论计算表明，该催化剂的高性能源于 a-c 界面处动态的异质界面电子重新分布。这种由外加电位驱动的动态循环电子转移促进了 O ₂ 的活化，并加快了 ORR 过程中 *O 中间体的质子化。提升了电催化 ORR 反应活性和选择性。

总结与展望

本工作模板法成功地合成了 ac-Ni(OH)2@m-Pt 异质催化剂，调节了界面处电子分布状态，实现高效的电催化氧还原活性。利用了多种原位谱学表征结果成功地揭示了电压驱动下 a-c 异质界面的协同作用能够加速催化剂表面 *OH 的形成，有助于快速的四电子 ORR 过程，该工作加深了对 a-c 异质界面在电催化反应中作用的理解，并为设计用于各种化学转化的改进型电催化剂提供了前景广阔的策略。

作者介绍

潘军，自然科学博士、中南大学粉末冶金研究院研究员、 “ 升华学者 ” 特聘教授、博士生导师。湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年基金获得者，入选教育部 “ 新世纪优秀人才支持计划 ” ，湖南省青年骨干教师，首批湖湘青年科技创新创业平台培养对象。研究领域为纳米能源材料的设计与可控合成，及在光催化、电催化、燃料电池、环境净化等方面的应用。主持国家自然科学基金（ 3 项）、湖南省杰出青年基金、云南省市一体化重大科技专项计划等近 20 个科研项目。至今已在 Nature Catalysis, Nature Communications, Advanced Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Advanced Functional Materials, Nano Letters 等国际权威期刊发表 SCI 论文近 160 篇，其中 1 篇获中国化学会优秀论文奖， ESI 高被引论文 9 篇，封面文章 3 篇；他引 5100 余次， H 因子 46 ；申请国家发明专利 14 项，授权 12 项；以第一完成人获湖南省自然科学奖二等奖 1 项。

苏徽，湖南师范大学特聘教授。一直致力于光电催化剂制备以及同步辐射原位新技术发展与测量。基于国内同步辐射大科学装置建立并发展同步辐射原位 XAFS 测量技术以及同步辐射原位红外（ FTIR ）技术，研究电催化水分解原位动力学过程，获得电催化反应的微观反应机理。已在国际知名期刊发表多篇 SCI 论文，其中以第一 / 共一 / 通讯作者在 Nature Communications (5) 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew (4) 、 Adv. Mater. ACS Energy Lett. (2) 等国际期刊发表论文 30 余篇。

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