在碱性电解水制氢中，降低贵金属用量与保持催化活性，往往是一对难以兼顾的目标。
铂具有优异的析氢催化性能，但价格较高。降低铂的载量能够减少材料成本，却可能使有效活性位点减少。与此同时，碱性析氢还需要经历水分子解离过程，界面水的排列和氢键网络也会影响反应中间体的生成与转化。
中国科学技术大学团队发表于《Advanced Functional Materials》的研究，将闪蒸焦耳热、PtRu合金设计和氧化钼载体结合起来，尝试同时调节催化剂的电子结构与界面水环境。
研究于2026年10月7日在线发表。其值得关注之处，不仅是贵金属载量较低，更在于研究团队试图解释：合金与载体界面的电子相互作用，如何影响催化剂表面的水分子状态。
一、500毫秒热冲击，如何构筑PtRu合金纳米簇？
研究团队将Pt和Ru前驱体负载在MoO₃与炭黑的混合物上，在氩气气氛中进行闪蒸焦耳热处理。每次脉冲在500毫秒内将样品加热至750℃，共施加8次脉冲，随后快速冷却。
电感耦合等离子体发射光谱测得，材料中的Pt和Ru载量分别为0.850 wt.%和0.834 wt.%，Pt约为1:2。
显微表征显示，PtRu合金纳米簇的平均尺寸约为2 nm，小于相应的Pt/MoOₓ、Ru/MoOₓ及常规退火对照样品。
这说明快速热冲击能够在该工艺条件下形成较小尺寸的合金纳米簇。短时处理也为保留特定的缺陷结构和界面状态提供了条件，但不能仅凭加热时间就认定所有缺陷都来自焦耳热，仍需结合对照实验判断。
二、合金与载体之间，为什么需要强电子相互作用？
纳米颗粒尺寸并不是催化性能的唯一决定因素。金属与载体之间的电子相互作用，也可能改变表面原子的化学状态和反应行为。
研究团队利用X射线吸收谱和XPS等手段分析材料的局域结构与电子状态。相关结果支持PtRu合金与MoOₓ之间存在电子转移，论文将这种界面作用归纳为强金属—载体相互作用（EMSI）。
在研究提出的解释中，合金与载体之间的电子重构，能够影响金属表面的吸附行为，并进一步改变析氢反应涉及的水分子及中间体转化过程。
不过，电子转移方向、吸附能变化与实际反应性能之间，需要由多种实验和理论证据共同支撑，不能把某一个光谱峰的变化直接等同于完整的催化机制。
三、从合金电子结构到界面水：这项研究的核心创新
碱性析氢反应与酸性析氢不同，反应过程中需要先处理水分子，并涉及氢氧根等物种的生成与传递。因此，催化剂表面不仅要具备合适的金属活性位点，还需要有利于反应进行的界面水环境。
研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，分析Pt、Ru及PtRu合金表面对水和反应中间体的吸附行为。
计算结果表明，Ru位点对水具有较强的吸附能力，而Pt位点在后续中间体转化方面具有不同的优势。PtRu合金则通过电子结构调节，使水吸附与中间体转化之间形成更合适的平衡。
研究还指出，合金与MoOₓ之间的电子相互作用能够进一步影响表面的吸附行为。
这意味着，材料设计并不是简单地寻找对水吸附最强的金属，而是要兼顾水分子的捕获、解离以及后续中间体的转化。吸附过弱或过强，都可能影响整个反应过程。
四、原位光谱如何揭示界面水的变化？
为了观察真实反应条件下的界面水，研究团队采用原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS），在不同电位下追踪水分子的光谱变化。
论文将O—H伸缩振动信号分解为不同的水组分，并观察到PtRu/MoOₓ表面的界面水响应更强。随着阴极极化，研究报告的近表面水组分比例持续上升，相关结果支持其界面水结构与其他对照样品存在差异。
研究进一步结合原位拉曼和从头算分子动力学模拟，分析界面水氢键网络的变化。
这些证据共同支持一个核心观点：PtRu合金化与金属—载体界面作用，不仅影响金属活性位点本身，还可能改变界面水的排列与氢键连接，从而影响碱性析氢反应。
需要注意，光谱中的不同水组分属于特定分析模型下的归属。将其进一步解释为完整的反应路径时，仍需结合其他证据，而不能仅凭单一峰的增强或减弱下结论。
五、超低载量下，催化性能达到了什么水平？
在1 M KOH中，PtRu/MoOₓ达到10和100 mA/cm²电流密度时的过电位分别为17.82 mV和56.15 mV。论文报告，其在50 mV过电位下的贵金属质量活性达到13.40 A/mg，并在50 mA/cm²条件下连续运行近2000小时，保持较好的稳定性。
研究团队还将该阴极用于阴离子交换膜水电解槽（AEMWE），与NiFe层状双氢氧化物阳极配合组装器件。
在80℃、1 M KOH条件下，论文报告，该电解槽在1.0 A/cm²时槽压为1.836 V，并在0.5 A/cm²下稳定运行超过2000小时。研究同时指出，测试终止与阳极催化剂溶解有关，而非阴极失效。
这些结果把研究从材料级电化学测试进一步延伸到器件验证。不过，器件性能来自阴极、阳极、膜、电解液及运行条件的共同作用，不能完全归因于PtRu/MoOₓ单一材料。
六、这项研究对焦耳热材料设计有什么启发？
这项研究把三个设计层次连接起来：
合金层面： 通过PtRu合金化调节水吸附与中间体转化之间的关系。
界面层面： 通过金属与MoOₓ之间的相互作用改变电子状态和界面水环境。
工艺层面： 利用闪蒸焦耳热的短时处理构筑纳米尺度合金结构。
研究的意义不仅在于降低贵金属载量，还在于尝试将界面水作为催化剂设计的重要变量。
后续仍需关注更大面积电极上的结构一致性、复杂运行条件下界面水调控能否保持，以及阳极侧失效问题如何与阴极优化协同解决。
从合金组成到界面水环境，催化剂设计正在从“寻找更好的活性材料”走向“同时设计材料、界面与反应微环境”。
论文信息
Yuan, J. et al. PtRu Alloying-Mediated Reconstruction of Adsorption-Conversion Landscape and Interfacial Water for Durable Alkaline Hydrogen Evolution. Advanced Functional Materials, 2026, e78855.
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.78855
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