斯德哥尔摩大学袁家寅教授JACS：原位秒级XAS揭示碲簇局部氧化助力长效电催化制氢

第一作者：Kanglei Pang

通讯作者：Jiayin Yuan*

单位：斯德哥尔摩大学

随着绿色能源需求的持续攀升，电催化制氢（HER，Hydrogen Evolution Reaction）在清洁能源体系中扮演着日益重要的角色。高效、稳定且可持续的电催化剂成为科研与工业界共同追求的目标。然而，金属基或单原子-纳米簇催化剂在长期服役过程中普遍面临活性衰减与结构重构等严峻挑战。尤其是在碱性体系下，电催化剂表面的氧化、溶解或枝晶生成等过程，往往会导致失活并缩短其使用寿命。基于此，对于富有“半金属”特征的碲（Te）簇催化剂在碱性HER环境下的失活与再生机理研究值得深入探讨。

基于此，斯德哥尔摩大学（Stockholm University）的Kanglei Pang等在JACS发表了题为“In situ Time-resolved X-ray Absorption Spectroscopy Unveils Partial Re-Oxidation of Tellurium Cluster for Prolonged Lifespan in Hydrogen Evolution”的研究论文。该工作利用秒级分辨率的原位X射线吸收光谱（XAS）手段，“实时捕捉”碲簇在电解水制氢过程中的表面氧化-还原-再生循环；并发现局部氧化的碲簇不仅不会显著毒化活性位点，反而能通过优化水分子吸附与解离能，达到增强产氢效率及延长催化寿命的效果。

图1. 原位X射线吸收光谱（XAS）解析碲簇在电解水制氢过程中的表面氧化-还原-再生循环。

氧化通常被视为影响金属/半金属催化剂寿命与活性的主要因素，但作者通过原位与时间分辨XAS发现，碲簇在完全还原时并未表现出最佳的产氢性能，反而在部分氧化状态下获得了更优异的电催化表现。理论计算（DFT）显示，局部氧化会调整碲簇的电子云分布，降低水解离的能垒并提升对产氢中间体的吸附-脱附效率，从而在碱性HER中实现显著增强的活性。

要点二：原位秒级XAS揭示失活-再生过程

研究团队搭建了原位电化学-流动体系，并利用秒级分辨（10 s/谱）的高通量XAS实时追踪碲簇在不同电位下的化学态演变。在长时间催化运行过程中，碲表面逐步被高价氧化所占据，导致活性下降。通过施加负电位进行电还原，可在短时间内脱除表面高价氧，随后样品在空气中自发地回到“部分氧化”态，进而恢复并保持高效的HER活性。

要点三：长寿命与可多次循环的碲基催化体系

在多次失活-再生循环测试中，碲簇催化剂的活性仅衰减15%，表现出优异的长寿命特征。该体系不仅提供了深入理解“半金属-氧化物”界面的新思路，也为低成本替代贵金属Pt的电催化剂提供了潜在的应用前景。

In situ Time-resolved X-ray Absorption Spectroscopy Unveils Partial Re-Oxidation of Tellurium Cluster for Prolonged Lifespan in Hydrogen Evolution”

Jiayin Yuan教授于2009年在德国拜罗伊特大学获得博士学位，随后在马克斯·普朗克胶体与界面研究所担任独立课题组长。在美国克拉克森大学任职一年副教授后，他回到瑞典斯德哥尔摩大学，并自2019年起担任正教授。他分别于2014年和2022年先后获得欧洲研究委员会（ERC）起始资助和巩固资助，目前是Knut and Alice Wallenberg基金会的Wallenberg Academy Fellow，并担任《Accounts of Materials Research》的高级编辑。他的研究方向主要涉及功能高分子与碳材料，涵盖从基础到可持续发展的多领域应用。自2021年起，他兼任斯德哥尔摩材料中心（Stockholm Material Hub，www.stockholmmaterial.com）主任。截至目前，他已发表260余篇SCI论文，被引用18,000 余次，H因子70。作为通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Water、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society和Angewandte Chemie International Edition等顶尖期刊上发表多篇高水平研究成果。

Kanglei Pang现于瑞典斯德哥尔摩大学攻读博士学位，师从袁家寅教授，主要研究方向包括可持续能源应用的功能纳米材料和电化学原位表征。本科毕业于郑州大学高分子科学与工程专业，随后在哥本哈根大学与中国科学院大学取得纳米科学与技术双硕士学位。他的研究专长涵盖电催化与功能材料表征，擅长利用原位与时间分辨分析手段探究材料在实际运行过程中的结构及化学态演变。截至目前，他已在Journal of American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition，Matter，Advanced Functional Materials等发表多篇高水平研究成果。