北京理工大学张加涛教授/赵娣副教授最新ACB：原子级界面魔法！Rh单原子与纳米颗粒协同作战，实现氢电催化性能突破

第一作者：冯五一，付建涛

通讯作者：赵娣*，张加涛*

单位：北京理工大学

近日，北京理工大学张加涛教授团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上发表题为“Optimum hydrogen binding energy at the atomic-level interfaces of Rh atoms/ultrasmall Rh nanoparticles for boosting hydrogen electrocatalysis”的研究论文。该工作开发了一种双功能氢电催化剂（RhSA+NP/NC），其特点是在氮掺杂碳载体上同时存在原子分散的Rh-N₄位点和超小Rh纳米颗粒（平均粒径2.03 nm）。实验表明，该催化剂在碱性HOR中的质量活性高达9.14 A mgRh^-1，是商业Pt/C的101倍；HER过电位仅14 mV（负载量1.91 μg cm^-2）。此外，基于该催化剂的AEMFC峰值功率密度达25.7 W mgRh^-1，AEMWE在1 A cm^-2下电压低至1.77 V。通过实验与理论计算，团队揭示了原子级界面通过优化HBE和加速Volmer步骤动力学，显著提升氢电催化性能的机制。本研究为设计低成本、高性能铂族金属催化剂提供了新思路。

研究团队通过“吸附-热还原”策略，以ZIF-8衍生的氮掺杂碳（NC950）为载体，利用表面缺陷锚定Rh³⁺，再经温和还原成功构建了Rh单原子（Rh-N₄配位）与超小Rh纳米颗粒（平均直径2.03 nm）共存的独特结构。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析证实，Rh单原子位于纳米颗粒周边，形成原子级界面。这种结构不仅避免了纳米颗粒的团聚，还通过电子相互作用调控了活性位点的电子结构。X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收近边结构（XANES）显示，Rh的平均氧化态为+1.2，介于金属态和氧化态之间，表明单原子与纳米颗粒间存在强电子耦合。

在0.1 M KOH电解质中，RhSA+NP/NC的HOR性能显著优于商业Pt/C和其他对照样品（如仅含纳米颗粒的RhNP/NC或仅含单原子的RhSA/NC）。在50 mV过电位下，其几何电流密度达2.35 mA cm⁻²，交换电流密度（j₀）为1.87 mA cm⁻²。通过金属载量归一化动力学电流后，质量活性（jₖ,m）高达9.14 A mgRh⁻¹，是Pt/C的101.6倍！加速耐久性测试（2000次循环）后，活性仅衰减2.4%，且CO耐受性优异（在含1000 ppm CO的H₂中保持92.4%电流），远优于Pt/C。在实际AEMFC测试中，阳极Rh负载仅0.02 mg cm⁻²时，峰值功率密度达0.515 W cm⁻²，阳极单位质量PGM利用率（25.7 W mg⁻¹）领先已报道催化剂。

在1 M KOH中，RhSA+NP/NC的HER过电位仅14 mV（10 mA cm⁻²），负载量低至1.91 μg cm⁻²，优于Pt/C（40 mV）。在50 mV过电位下，电流密度达45.04 mA cm⁻²，质量活性为23.58 A mgRh⁻¹。Tafel斜率低至37 mV dec⁻¹，表明Volmer步骤（水裂解）动力学加速。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻最小，进一步验证了快速反应动力学。在酸性条件（0.5 M H₂SO₄）中，过电位为32 mV，质量活性达29.52 A mgRh⁻¹，展现广谱pH适应性。AEMWE测试中，阴极Rh负载0.05 mg cm⁻²时，1 A cm⁻²下电压仅1.77 V，凸显实际应用潜力。

通过位点毒化实验和H₂程序升温脱附（H₂-TPD），团队发现Rh单原子与纳米颗粒的协同作用至关重要。DFT计算表明，在原子级界面（NP-SA位点），*H吸附能接近热中性值（-0.18 eV），优于单独位点（NP-H和SA-H）。同时，界面处H₂O吸附能更强（ΔEH₂O更负），降低了水分解能垒（0.43 eV）。这种优化平衡了*H吸附/脱附过程，显著加速了HER和HOR的Volmer步骤。

本研究通过原子级界面工程，实现了Rh基催化剂在氢电催化中的性能飞跃，为降低铂族金属用量、推动可持续氢循环经济提供了可行策略。未来工作可聚焦于：①扩展界面工程至其他铂族金属体系；②探索在实际设备中的长期稳定性；③结合原位表征（如原位红外、冷冻电镜）深入揭示界面动态演化过程。随着界面调控机制的完善，这类催化剂有望加速氢能技术的商业化进程。

赵娣，北京理工大学化学与化工学院研究员、硕博士生导师，研究方向为纳米、团簇、单原子催化剂的表界面调控合成及在涉及H2、O2、CO2小分子反应的燃料电池、电解水、CO2电还原等新能源方向的基础应用。相关研究成果以第一和通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Chem. Soc. Rev.、ACS Nano等国际学术期刊上发表论文30余篇， 论文被邀请做杂志封面或被C&EN特别报道，其中ESI高被引/热点论文5篇。授权国际专利一项。获第二届博士后创新人才支持计划。入选英国皇家化学会（RSC）材料化学领域2025年度JMCA，ChemComm，Catalysis Science & Technology新锐科学家。作为课题负责人承担中国博士后科学基金面上项目，国家自然科学基金青年基金项目、企业横向课题等。

张加涛，教授，博士生导师，北理工化学与化工学院院长，英国皇家化学会会士，国家优秀青年基金，国家科技部万人计划科技创新领军人才。第一作者或通讯作者在Nature、Science、Chem. Rev.、Nature Nanotech.、Nature Commun.、JACS、Chem、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际顶级SCI学术期刊上发表论文100余篇，研究工作已被他人引用1万余次，ESI高被引10篇，H因子49。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊执行副主编，PNS: MI、Rare Metals、Nano Res期刊编委。荣获2019国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料及合成杰出奖、中国材料学术联盟IFAM2018青年科学家奖、2022年爱思唯尔中国高被引学者等。