任祥忠教授、张雷教授、孙学良教授， Nano energy观点：原子尺度洞察非共价相互作用在电催化析氢反应中的作用

第一作者：罗兆艳

通讯作者：任祥忠*，孙学良*

单位：深圳大学，加拿大西安大略大学

了解在电催化界面发生的非共价相互作用对于促进先进析氢系统的发展非常重要。然而，电极-电解质界面中的非共价相互作用对 HER 动力学的确切作用在分子水平上仍然不清楚，特别是对于非铂基电极。这是由于缺乏有效的策略来解耦每种相互作用（ΔG_H，非共价相互作用）对 HER 动力学的影响。因此，在此，我们构建了模型催化剂表面（Pd，RuS_2-xO_y）来解耦ΔG_H和双层结构优化对HER动力学的影响，从而在分子水平上探索这种非共价相互作用对HER的作用。

基于此，来自深圳大学的任祥忠教授与西安大略大学的孙学良教授合作，在国际知名期刊Nano energy上发表题为“Atomic-scale insights into the role of non-covalent interactions in electrocatalytic hydrogen evolution reaction”的观点文章。该观点文章分析了现在常用的聚合物固态电解质与电池各个组件（正极、负极、陶瓷填充物）之间界面的不稳定性，同时汇总了近期在研究此类界面不稳定性问题上的进展。

该观点文章发现位于外亥姆霍兹平面 (OHP) 的水合阳离子也直接与电极材料相互作用，这些相互作用的强度也会影响 HER 活性。因此，通过调控界面双电层结构优化催化剂的HER活性，最终合成的Pd,RuS_2-xO_y 对 HER 表现出显着的电催化活性，在 10  和 100 mA cm^-2 下分别提供 38  和 82 mV 的低过电势。该研究不仅阐明了界面相互作用的作用，而且为先进电催化剂的合理设计提供了新途径。

图1. 调控界面双电层结构优化催化剂的HER活性。

探索非共价相互作用在电极界面上的电催化析氢反应中的作用的一个关键挑战是缺乏一种有效的策略来解耦两种相互作用（ΔG_H，非共价相互作用）对 HER 反应动力学的影响。例如，我们之前的研究表明，通过 Pd、Ru 掺杂策略将 -OH 基团引入 MoS₂ 可以赋予界面以反应物拖曳功能。同时，面内惰性硫位点也通过杂原子金属掺杂（Pd和Ru）进行电子活化，以获得优化的氢吸附能。因此，为了了解 HER 对 EDL 结构的依赖性的这种分子理解，我们必须首先开发模型催化表面以解耦两种相互作用对反应动力学的影响。

要点二：亲反应物界面的构建

考虑到吸 电子 O 位点可以与 EDL 上的 H3O⁺ 或 H₂O 形成 H 键，O 掺杂有望诱导界面工程。此外，之前的一项研究表明，O 对硫属元素原子的化学吸附对过渡金属硫化物（TMDs）的能带结构和几何构型的影响相对较弱；因此，这种 O 掺杂的 TMDs 表面可以将两种类型的相互作用对反应动力学的影响解耦，从而帮助我们了解非共价相互作用在 HER 过程中控制催化活性的重要性。

要点三：模型催化剂的构建

在此，我们通过自发地将 O 原子结合到二硫化钌 (RuS₂) 晶格中来创建模型催化剂表面 (Pd,RuS_2-xO_y)。Pd,RuS_2-xO_y 包含具有最佳 H* 结合强度的位点，这也与电解液中的 H3O⁺ 或 H₂O 形成氢键网络。更有吸引力的是，模型催化剂表面解耦了 ΔG_H 和双层结构优化对 HER 动力学的影响。

要点四：前瞻

在对过渡金属硫化钼析氢催化剂的开发和探索中，加深了对硫化钼等二维材料的微观结构和活性位点的认识，但还存在以下问题：（1）很难可控地调控结构（相，缺陷，边缘位），因此很难构建模型催化剂定量探究各因素的贡献；（2）对硫化钼等二维材料在析氢方面的活性位点认识还是不够深入。

在目前的工作基础上，下一步还可以从以下几个方面开展更深入的研究：

一、构建结构简单的模型催化剂，定量地探究各因素的作用；

二、尝试探索新方法新手段探究二维材料析氢催化剂的催化位点；

三、  从规模化和实用化的角度，对非铂类析氢催化剂进行研究开发。

Atomic-scale insights into the role of non-covalent interactions in electrocatalytic hydrogen evolution reaction

任祥忠教授简介：2012年被评为广东省高等学校“千百十人才工程”省级培养对象，2017年被评为深圳大学优秀学者。曾担任深圳大学化学与环境工程学院副院长，深圳大学教务部副主任等职务，现为深圳大学化学与环境工程学院院长，广东省环境工程虚拟仿真实验中心主任，深圳大学第六届校学术委员会委员，中国硅酸盐学会溶胶-凝胶分会理事兼副秘书长。担任深圳市发改委高新技术产业新材料产业专项评审委员会会评专家、国家自然科学基金通讯评议专家、广东省自然科学基金通讯评审专家、国际学术期刊Journal of Materials Chemistry A、Nanoscale、Electrochimica Acta、Journal of Power Sources等特约审稿人。

主要从事锂离子电池正、负极材料的制备及机理研究、锂空电池及燃料电池纳米催化剂的合成及性能研究、导电高分子材料的合成与表征等领域的研究工作。作为项目负责人，主持了国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目、广东省人才项目、深圳市科技计划项目、深圳市重点实验室开放基金项目等30多项，作为主要参加人，参与国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目等共14项。发表论文200多篇，其中160多篇被SCI收录。获广东省自然科学奖二等奖1项，科技进步三等奖1项，广东省高等教育教学成果奖一等奖1项，浙江省科技进步三等奖1项，广西自然科学奖二等奖1项，三等奖1项，深圳市科技进步一等奖1项，二等奖3项。申请国家发明专利9项，参与编写学术专著2部。

孙学良教授简介：加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编和Frontier of Energy Storage的副主编。

孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。已发表超过480篇SCI科学论文，被引用次数超过30,000次，H因子=91，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv.Funct. Mater., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., Nano Energy等高水平杂志；编辑了3本科学著作和发表了16篇科学著作章节，

同时获得18个美国专利授权；在国际会议、论坛等做了120多场次的主题和邀请口头报告。孙教授积极与工业界进行合作研究，目前的合作者包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、加拿大庄信万丰电池公司和中国动力电池创新中心。近10年，孙教授已经获得2000万加元的资助。现在拥有40个成员的研究团队。

罗兆艳，深圳大学博后，2019年博士毕业于中国科学技术大学。主要研究方向是二维材料能源结构材料在能源储存和转化，重点从事SPE水电解的研究和应用。已发表超过10篇SCI科学论文其中包括Nat. Comm., Adv. Energy Mater., Nano Energy等高水平杂志。

课题组主要针对新能源催化材料的世界科技前沿，专注新能源材料与器件，在质子交换膜燃料电池、电解水制氢、电池电极材料等清洁、低碳、绿色、环保的能源催化领域开展研究。目前课题组研究经费充足，已配备各种仪器设备，拥有完善的科研条件和先进电化学实验测试装置。

博士后：团队长期招聘博士后。研究方向包括但不限于电催化（燃料电池氧还原、电催化水分解、电催化二氧化碳还原等），碳材料的制备及功能应用，纳米组装及功能化，计算化学等。博士后人员在站期间综合年薪约34万元人民币，符合条件的可申报深圳市高层次人才计划（160-200万住房补贴）等。详情欢迎咨询，邮件：renxz@szu.edu.cn。

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