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

第一作者：刘美欢

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

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。

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。

（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O₂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。

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。

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。