崔志明教授&陈胜利教授， Nat. Commun.：IrMo金属间化合物表面稳定吸附OH配体实现快速析氢动力学

第一作者：张嘉熙，张龙海

通讯作者：崔志明，陈胜利

单位：华南理工大学，武汉大学

随着阴离子交换膜技术的飞速发展，碱水电解在大规模、低成本制氢方面显示出巨大的潜力。然而，碱性环境下的水解里能垒通常很大，导致绝大多数催化剂的碱性析氢动力学都十分缓慢，如Pt在碱性中的析氢速率比酸性中要慢至少2个数量级。

目前已有一些研究通过在具有良好H吸附位点的单晶电极上修饰一些亲氧位点，以增强对OH的吸附、促进水解离过程，从而提高碱性析氢反应的动力学（双功能机制）。然而，当OH的吸附能过强时，单晶电极上水解离产生的OH则会稳定吸附在亲氧位点而很难脱附，导致催化剂性能下降。但是，这种稳定的吸附OH配体，对催化剂表面的化学环境与电子结构都会产生影响，有可能因此而产生新的双功能位点。这种稳定吸附的OH配体对析氢反应的催化作用，目前鲜有这方面的研究报道。

此外，由于难以在原子级的层面实现双功能位点的精准设计，单晶电极上开发的双功能机制提升碱性析氢动力学策略，在实际催化剂设计中并未得到广泛的应用。而结构有序的金属间化合物材料，其中异类金属原子在晶体结构中有序排布，是实现双功能位点协同设计的理想材料。鉴于此，本研究设计开发出一种新型IrMo金属间化合物催化剂，通过表面Mo位点上稳定吸附的OH配体，对催化剂表面化学环境和电子结构进行优化，在碱性环境中实现了接近酸性中的优异析氢性能。

基于此，华南理工大学崔志明教授课题组与武汉大学陈胜利教授合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“OH spectator at IrMo intermetallic narrowing activity gap between alkaline and acidic hydrogen evolution reaction”的研究论文。

该研究通过冷冻干燥-热处理的方法，合成出了碳纳米管担载的IrMo金属间化合物纳米粒子催化剂（IrMo/CNT），其碱性环境中的析氢（HER）比活性可达Ir/C的14倍，甚至是表现出接近酸性环境中的析氢活性。该研究表明，IrMo金属间化合物表面稳定吸附的OH配体可通过改善表面化学环境和电子结构的方式，以优化H吸附能、降低水解离能垒，从而增强碱性HER性能。本文为指导高活性电催化剂的设计和开发开辟了新的思路。

图1. 表面吸附OH配体的IrMo金属间化合物催化碱性析氢反应路径及效果图。

图2. 凝胶冷冻干燥-热处理方法制备IrMo金属间化合物过程示意图。

金属盐水溶液与亲水CNT经超声处理后，通过亲水CNT间的交联作用形成水凝胶。水凝胶经冷冻干燥升华溶剂后，金属盐将均匀负载于所得的碳纳米管气凝胶，最后经还原性气氛中热处理即可得到CNT负载的IrMo金属间化合物催化剂。

图3. 物理表征。

a, XRD图。b, 价带谱分析。c, Ir 4f XPS光谱分析。d, HAADF/STEM形貌分析。e, IrMo纳米离子的原子级分辨率HAADF/STEM分析。f, IrMo纳米颗粒的线扫能谱分析。

要点二：析氢性能评价

图4. IrMo/CNT、Ir/C和Pt/C的HER性能比较。

a, H₂-saturated 1 M KOH中的HER极化曲线。b, IrMo/CNT与典型HER催化剂的HER性能比较（Tafel斜率&10 mAgeo cm²的过电位10）。c, IrMo/CNT与典型HER催化剂的TOF（@50 mV）比较。d, H₂-saturated 0.5 M H₂SO₄中的HER极化曲线。e, 催化剂在酸性和碱性HER中的10比较。f, 催化剂在酸性和碱性HER中的Tafel斜率比较。

图5. IrMo/CNT、Ir/C和Pt/C在酸、碱性介质下的HER动力学与本征活性比较。

a, ECSA归一化的比活性极化曲线。b, 15 mV过电位下的TOF比较。c, 本征Tafel斜率比较。d, 比活性、TOF及本征Tafel斜率描述的酸-碱HER活性差距因子比较，分别定义为SAacid/SAalkaline、TOFacid/TOFalkaline和intrinsic Tafel slopealkaline/ intrinsic Tafel slopeacid。

要点三：析氢机理研究

图6. IrMo金属间化合物的表面催化模型分析。

a, IrMo/C和Ir/C在CO-saturated的1 M KOH溶液中的LSV曲线。b, IrMo/C和Ir/C在CO-saturated的0.5 M H₂SO₄溶液中的LSV曲线。c, IrMo (001)面不同位点对H₂O、OH的吸附能。d, IrMo (001)面上Mo位点对H₂O和OH的吸附能。e, 红外光谱分析。f, DFT计算模型。

图7. HER机制分析。

a, IrMo (001)-OH与Ir (111)的H吸附吉布斯自由能。b, IrMo (001)-OH的Bader charge图。c, IrMo (001)-OH与Ir (111)通过Volmer-Heyrovsky路径催化HER的反应能。d, IrMo (001)-OH剖面电子局域函数（ELF）图，图中箭头所示为OH配体与水解离产生的OH中间体的H键作用。

本研究开发出了一种负载在碳纳米管上的IrMo金属间化合物电催化剂，在15 mV的过电位下，其比活性高达0.95 mA cm_Pt^-2，分别是Ir/C和Pt/C的14.4和9.5倍。值得注意的是，它在碱性介质中的活性与酸性中的相当接近，且在酸性和碱性介质中的活性差距仅有Ir/C的四分之一。

理论计算和实验结果表明，IrMo金属间化合物表面Mo位点在电化学环境中会稳定吸附一个OH配体，该OH配体对表面化学环境和电子结构均有促进作用，使得催化剂具有更优的H吸附能，且可以稳定水解产物，使得水解步骤是热力学有利的过程。本研究强调催化剂表面吸附OH配体对催化碱性HER起关键作用，此思路为合理设计高活性有序金属间化合物电催化剂提供了有效的策略。

OH spectator at IrMo intermetallic narrowing activity gap between alkaline and acidic hydrogen evolution reaction”

崔志明，华南理工大学教授、博士生导师。入选国家“海外高层次引进人才”青年项目，广东省“珠江学者”特聘教授。崔志明教授于2010年在中科院长春应用化学研究所获得博士学位，随后在新加坡南洋理工大学、美国康奈尔大学、美国德州大学奥斯汀分校做博士后研究，2017年加入华南理工大学化学与化工学院。主要从事电化学能源转换和存储器件的研究，在电催化基础和应用方面开展了PEM燃料电池和电解水相关的阴阳极电催化剂、碳基和非碳基载体、膜电极等方面的工作，并取得了一些重要研究成果。

迄今已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Nano Lett.，ACS Nano等专业期刊发表SCI论文90余篇，参编中英文专著3部，申请专利10余项，主持和参与科技部重点研发、国家自然基金项目，省级基金项目等近10项。

迄今已在Chem. Soc. Rev, J. Am. Chem. Soc, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Chem. Sci., ACS Catal.等期刊发表SCI论文150余篇, 并主编《电催化》一书。

张嘉熙，华南理工大学助理研究员（博士后）。张嘉熙博士分别于2015年和2021年在华南理工大学获得学士和博士学位，博士毕业后留校展开博士后研究工作。主要从事新型电解水催化材料的开发研究，包括金属间化合物、反钙钛矿氮化物、烧绿石氧化物等材料的性能调控及其在PEM电解槽、AEM电解槽和电解海水方面的应用研究。目前以第一作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett.等知名专业期刊发表SCI论文9篇，授权专利6件，主持中国博士后科学基金面上项目1项。

1. 电催化：燃料电池/金属空气电池中催化剂的设计和催化反应机理；

2. 固态离子导体：全固态电池/燃料电池中的固体电解质研究（锂离子导体/钠离子导体/质子导体）；

3. 与上述两个方向相关的计算和模拟。

二、招聘条件

1. 获得博士学位不超过3年的博士，或通过博士学位论文答辩的应届博士，年龄在35周岁以下；

2. 对电化学/新能源材料有浓厚的兴趣，具有扎实的学术训练背景；

3. 具备良好的英语写作能力，发表过高水平研究论文者优先。

三、聘期待遇

1. 学校提供20—32万元人民币的岗位年薪，并参照校内同级人员的标准为博士后缴纳“五险一金”；

2. 合作导师将根据工作表现另外给予博士后生活补贴或绩效奖励 （2-10万），并协助其申请各类自然科学基金和人才计划；

3. 博士后科研成果按学校科研奖励规定享受科研奖励；

4. 按学校规定为博士后提供租住公寓或租房补贴，博士后子女享受学校教职工子女入托、入学同等待遇；

5. 在站博士后成绩突出者，可破格申报副高职称；出站时成绩突出者可申请留校；出站留校一年后可破格认定正高职称，经学校认定后安排相应编制。

四、应聘方式

申请者请将以下资料通过邮箱发送到zmcui@scut.edu.cn (崔志明)：

1. 个人简历（包含学习和工作经历、发表论文、参与项目等）；

2. 代表性论文以及其他可以证明本人研究能力及水平的相关资料

投稿请联系contact@scimaterials.cn