朱艳萍教授、张校刚教授， CEJ综述：金属支撑单原子析氢电催化剂反应路线的创新设计

第一作者：赵泽玉

通讯作者：朱艳萍，张校刚

单位：南京航空航天大学

开发可持续的绿色能源来替代现有的化石燃料能源是当今社会必须面对的问题。氢能清洁、高效、零排放，被认为是最有前途的新一代能源。获得氢的主要方法之一是通过水电解，其中负极产生H₂，正极产生O₂。目前，Pt/C是析氢反应（HER）最有效的催化剂。然而，Pt作为一种贵金属，成本高、储量稀缺等缺点限制了其大规模应用。因此，开发低成本、高效率的HER催化剂具有十分重要的意义。本篇观点展示了近期研究此类催化剂的一些工作，特别是具有清晰反应路径计算的。同时回顾了近期在反应稳定性方面取得的进展，并对如何从材料设计的角度制备金属支撑的单原子催化剂进行了讨论。本文为未来的研究提供了方向，有助于促进金属支撑单原子HER电催化剂的研究和实际应用。

近日，来自南京航天航空大学的朱艳萍教授与张校刚教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Reaction route innovates design of metal supported single atom electrocatalysts for hydrogen evolution: A review”的综述文章。该文章综述了近年来金属支撑的单原子催化剂的各组分设计和反应路径之间的联系，同时汇总了近期的研究在反应活性和稳定性上的进展。

在碱性介质中，根据不同的反应途径，进一步分析了SA活性中心和金属载体的功能。具体的反应途径描述为催化剂的金属载体可以分解H₂O （Volmer反应），SA活性中心可以吸附H* （Tafel反应或Heyrovsky反应）。通过Tafel反应或Heyrovsky反应途径生成H₂的过程可以用Tafel斜率表示。碱性介质中产氢反应通常需要先分解水分子生成H*，再进行后续反应生成H₂，其中Volmer反应途径是主要的速率决定步骤（RDS）。Volmer反应和Heyrovsky/Tafel反应对于碱性介质同样重要，都是不可忽视的高能量势垒反应，为了实现催化剂的高性能，需要兼顾两种反应途径的催化。结合催化剂的性能，总结出生成H2反应时选择Volmer-Tafel反应途径比Volmer-Heyrovsky反应途径需要更低的过电位。

虽然酸性介质中存在大量的H⁺，但H₂的生成需要先将H⁺转化为H* （Volmer反应），再通过吸附H形成H₂。而酸性介质中催化剂的设计也需要串联完成两种反应途径（Volmer-Heyrovsky反应或Volmer-Tafel反应），在酸性介质中的研究主要集中在RDS，即H⁺生成H的步骤（Heyrovsky反应）或H-H（Tafel反应）。但在同一反应途径下，催化剂组分所起的作用也存在一定的差异，表现为SA活性中心对H有吸附作用，而金属载体有利于H⁺的吸附，或者SA活性中心有利于H⁺的吸附，金属载体解吸H₂，即H转移和H溢出。因此制备催化剂的主要研究内容是活性位点的吸附和解吸能力与H之间的最佳平衡策略。

当前对非贵金属电催化剂在HER领域的研究和开发仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于非贵金属反应活性较弱，因此对于非贵金属金属支撑单原子催化剂需要更多的结构设计和组合。从机理的角度设计催化剂的组成，选择具有催化性能和空位形成的特殊杂原子相结合，使过电位达到甚至超过金属合金的支撑。根据机理计算，设计了满足不同pH环境要求的金属复合支架。明确非贵金属的选择设计，可以实现具有反应活性和稳定性的HER单原子催化剂，以加速其在商业市场中的应用。

Reaction route innovates design of metal supported single atom electrocatalysts for hydrogen evolution: A review

朱艳萍教授简介：2018年博士毕业于南京工业大学化工学院，2018-2020年台湾大学博士后，2020-2023年香港理工大学博士后。主要从事新能源材料与器件方面的研究，以及利用原位表征揭示电催化机理。迄今在国际主流期刊发表SCI 论文 42 篇，其中8篇论文入选ESI高被引论文，总引用超过4000次，H-index 30。第一/通讯作者论文包括Nature Communications、Advanced Materials（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Energy Environmental Science、ACS Energy Letters（3篇）等。

张校刚教授简介：江苏省高效储能材料与技术重点实验室主任，纳智能材料器件教育部重点实验室副主任，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事；中国化学会电化学专业委员会委员；中国电池工业协会常务理事；中国超电产业联盟副理事长；江苏省材料学会副理事长；江苏省储能行业协会专家委员会副主任；江苏省化学化工学会常务理事；江苏省复合材料学会常务理事。国际期刊Batteries&Supercaps编委，电化学、电池、储能科学与技术等期刊和南京航空航天大学学报（自然科学版）编委。入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人和江苏省“333”人才工程第二层次，英国皇家化学会(RSC)会士(Fellow)。主要从事高致密电化学储能材料与技术相关的教学、科研工作。迄今以通讯作者在包括 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater. 等 国际权威杂志发表学术论文300余篇，SCI他引超过10000余次，连续入选爱思维尔中国高被引学者及科睿唯安全球高被引学者。获授权发明专利 26件，公开发明专利37件。

赵泽玉简介：2023年硕士毕业于石河子大学，2024-2025年南京航空航天大学科研助理。主要从事于电催化材料的制备与研究。