吕坚院士、孙李刚副教授，EES：双相超纳多组元合金特殊次近邻氧配位活性位点实现超高活性电催化绿氢制备

第一作者：吕富聪

通讯作者：孙李刚*，吕坚*

单位：哈尔滨工业大学（深圳），香港城市大学

在应对全球气候变化和推动能源转型的背景下，可持续能源技术的发展变得尤为迫切。其中，电解水制氢作为一种清洁能源生产方式，因其高效、可再生的特性，被视为实现未来能源结构转型的关键技术之一。在电解水制氢的过程中，析氢反应（HER）是一个关键的半反应，其效率直接影响到整个水解制氢系统的能源转换效率。为了提高HER的效率，科研工作者致力于开发和优化电催化剂，以降低反应所需的过电位并加速反应速率。近年来，通过材料科学的深入研究，人们逐渐认识到，除了材料的组成和结构，活性位点的微环境对催化性能同样有着决定性的影响。活性位点的微环境包括其周围的原子排列、电子云分布以及与周围介质的相互作用等。这些因素共同决定了活性位点对反应物分子的吸附能力、反应中间体的稳定性以及最终产物的解吸过程。因此，通过精确调控活性位点的微环境，可以有效地调节催化剂的电子结构和表面性质，从而优化其催化活性和选择性。

近日，来自香港城市大学的吕坚院士与哈尔滨工业大学的孙李刚副教授合作，第一作者为吕富聪博士，在国际知名期刊Energy Environ. Sci. 上发表题为“Boosting Hydrogen Evolution Activity: Next-Nearest Oxygen Coordination in Dual-Phase Supra-Nanostructured Multiprincipal Element Alloy Catalysts”的研究文章。该文章于以2017年由吕坚院士团队首次提出并在《Nature》封面报道了双相超纳超强镁合金（Nature, 2017, 545, 80-83）的新型双相超纳结构为基础，通过大量的氧在制备过程中介入到材料中，首次合成出具有特殊次近邻氧配位活性位点的晶体非晶双相超纳多组元合金催化剂，该催化剂在展现出超高的活性和稳定性，在10 mA cm⁻²的电流密度下过电位仅有10.16 mV， 以500 mA cm⁻²的电流密度在AEM器件稳定运行1000小时。

利用简单可工业化生产的磁控溅射的方法，在室温下共溅射，溅射的过程中引入氧气，成功地制备出具备晶体-非晶双相超纳结构的多组元合金催化剂，该催化剂可直接使用不需要进行脱合金等后处理方式破坏原始的合金结构。通过多种表征手段可以看到制备的多组元合金具备均匀的晶体-非晶双相超纳结构，晶体相富含Pd其平均尺寸仅为~4.69 nm, 非晶相富含O其厚度~1.2 nm。

双相超纳结构使得多组元合金具备非常丰富的界面，通过精心设计的元素组分，异质原子O主要进入到非晶相中，富含Pd的晶体相与富含O的非晶相在界面处形成了特殊的次近邻氧配位的活性Pd高活性催化位点，从而展现出超高的活性，在10 mA cm⁻²的电流密度下过电位仅有10.16 mV。实验和密度泛函理论揭示了异质原子氧介入到双相超纳结构的多组元合金优化了整个催化剂的电子结构和H*吸附能，大量在界面上的次近邻O配位活性位点产生了接近零的ΔGH*值和多组元合金的其他位点提供有效的水吸附和解离能力，协同加速HER的反应过程。本工作展示了一种实用的异质原子介入和相工程结合的调控策略，为设计高性能可持续能源转换催化材料提供了新途径。

Boosting Hydrogen Evolution Activity: Next-Nearest Oxygen Coordination in Dual-Phase Supra-Nanostructured Multiprincipal Element Alloy Catalysts

孙李刚副教授简介：现任哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授。博士毕业于香港城市大学，导师为何小桥教授和吕坚院士。孙李刚博士主要从事材料的微纳结构与性能关系研究，旨在助推高性能结构材料和功能材料的开发。通过结合模拟计算与实验方法探究材料的“纳米/原子结构-力学/化学性能-微观物理机制”之间的本质联系。主要的研究对象包括纳米孪晶金属、超纳/纳米双相金属、金属玻璃和高熵合金等。相关成果已在包括Nature、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Materials Today和Acta Materialia等学术期刊上发表论文50余篇，总被引2300余次（Google Scholar数据）。担任Nature Communications等期刊审稿人。主持国家自然科学基金青年项目、广东省面上项目等6项国家级和省市级科研项目。国防重点基础研究项目和深圳市重点实验室等团队核心成员。广东省力学学会青年工作委员会委员。深圳市海外高层次人才B类。

吕坚院士简介：吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港城市大学机械工程讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、香港城市大学院长，副校长兼研究生院院长。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得53项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Energy & Environmental Science、Materials Today、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文480余篇，引用4万5千7百余次 。

吕富聪博士：现任香港城市大学博士后研究员。2020年10月博士毕业于香港城市大学机械工程系，师从吕坚（Jian Lu）院士。博士毕业后继续在吕坚院士课题组做博士后研究。主要从事能源存储与转化等先进材料的设计与研发，包括复杂合金、纳米材料、水凝胶等，在电解水制氢和能源存储中的应用。研究方向涉及金属材料、纳米材料、材料设计、化学、电化学等交叉学科。至今在国际权威期刊发表SCI论文50余篇、其中第一/共同第一作者论文7篇。第一/共一作者论文包括Energy & Environmental Science 1篇、 Nature Communications 1篇、 Small 1篇、Chemistry of Materials 1篇、 Nano Research 1篇、 ACS Applied Materials & Interfaces 1篇、 Chemical Communications1篇。谷歌学术引用3100+次，H-index 29。