中科院深圳先进技术研究院孙源淼研究员&南洋理工大学徐梽川教授AM: 铁电极化效应助力单原子催化剂高效析氧反应

邃瞳科学云

2025-04-15

导读：本文以In2Se3/C-N-M 铁电异质结构为原型，系统研究了铁电极化对SACs中OER电催化性能及其相关机制的影响。

第一作者：马昊

通讯作者：徐梽川*，孙源淼*

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院，南洋理工大学

论文DOI：10.1002/adma.202500285

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近日，来自中国科学院深圳先进技术研究院的孙源淼研究员联合南洋理工大学大学的徐梽川教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Ferroelectric Polarization Effects of Single-Atom Catalysts on Water Oxidation”的文章。该文章系统分析了铁电极化对中间体吸附行为与OER路径选择的调控机制，强调了利用铁电材料的可逆极化特性来实现对SACs界面电子结构和反应路径动态调控的新模式，为突破SACs在OER中的性能瓶颈、构建高效可调的电催化体系提供新的设计思路与理论见解。

背景介绍

基于电化学过程制备绿色燃料与化学品具有重要意义，析氧反应（OER）作为诸多电化学能量转换过程（如水分解、CO₂还原、氮还原等）的阳极伴生反应，由于其涉及四电子转移过程且本征动力学过程缓慢，已成为限制整体效率的关键瓶颈，开发高效的OER催化剂仍然至关重要。近年来，单原子催化剂（SACs）因其最大化金属利用率和可调节的催化活性，在电催化领域发展迅速。然而，由于传统衬底材料通常难以实现对界面电子结构的动态调控，使得对中间体吸附行为的调控能力不足，从而受制于吸附能间的线性标度关系（SRL），限制了催化性能的进一步提升。铁电材料因其可逆极化特性在动态调控表面电子结构和改善催化行为方面展现出独特优势，有望通过极化方向切换实现界面电子结构与反应路径的动态调控，进而突破SRL限制并提升其OER活性。目前，铁电材料在OER电催化中的应用研究仍处于起步阶段，亟需对铁电极化与OER催化活性之间的构效关系进行系统阐释，为高性能SACs的设计提供理论基础。

本文亮点

亮点一：构建具有铁电极化调控能力的In₂Se₃/C-N-M单原子催化剂体系

作者基于α-In₂Se₃铁电材料构建了In₂Se₃/C-N-M异质结构，其中C-N-M为N配位石墨烯负载过渡金属单原子催化剂。通过高通量第一性原理计算，系统筛选了3d、4d、5d金属系列中的稳定构型，并基于形成能与溶解电位双重准则明确了体系的热力学与电化学稳定性，明确了铁电极化方向对催化剂稳定性的重要影响，尤其是在负极化（P↓）方向下，体系稳定性普遍优于正极化状态。进一步的理论计算分析显示，铁电极化方向显著影响界面电荷转移行为，从而有助于调控金属活性位点与含氧中间体之间的吸附强度，这一调控行为为后续OER反应路径调节奠定了基础。

亮点二：铁电极化诱导OER路径调制，实现双机制协同反应

理论研究表明，In₂Se₃极化方向的切换可有效调控OER关键中间体的吸附自由能，改变电位决定步骤（PDS）与反应路径，例如，In₂Se₃/C-N-Mn/Co/Ir体系可在铁电极化的调控下显著改善其OER催化活性。值得注意的是，In₂Se₃/C-N-Ir体系借助铁电极化调控在两种反应机制下（AEM为0.07 V， OCM为0.10 V）均可达到接近理想的催化活性。In₂Se₃/C-N-Ir体系在正极化方向遵循AEM反应路径，而在负极化方向下将遵循OCM反应路径，该种铁电极化依赖行为允许In₂Se₃/C-N-Ir体系在不同的反应途径之间轻松切换，促进混合OER机制的发生, 使得Ir体系可通过AEM、OCM或混合反应路径有效地催化OER反应。

亮点三：电极电位与pH共同影响下的动态反应机制解析

为进一步理解铁电极化在真实电化学环境中的调控行为，作者基于恒电势隐式溶剂模型，系统研究了In₂Se₃/C-N-Ir体系在不同电极电位与pH条件下的反应路径演化及中间体吸附行为。结果表明，In₂Se₃/C-N-Ir体系在不同极化态下分别对酸性和碱性条件具有更优适应性，展现出铁电极化-环境条件协同优化的优势，其关键中间体吸附强度随电位和pH变化幅度较小，保证了催化性能在不同环境下的稳定性，避免因pH变化带来的活性衰退，这一特性对于实际应用中OER电催化剂在复杂体系中的稳定运行具有重要意义。该部分工作不仅拓展了铁电调控策略的适用边界，也为构建跨pH区间稳定高效的单原子电催化体系提供了理论指导。

亮点四：结合机器学习实现OER活性预测与关键特征识别

作者基于所构建的大规模第一性原理数据库，训练了多组机器学习（ML）模型以实现对关键中间体吸附自由能（ΔG）及OER过电位的快速预测。具体而言，针对不同的反应中间体，分别训练了XGBoost与随机森林模型，展现出优异的建模可靠性。在此基础上，作者进一步引入SHAP特征归因分析，挖掘影响吸附自由能变化的核心物理化学特征。分析结果表明，过渡金属原子的失电子量Q_loss(M）、溶解电位U_diss等相关特征参数，在调控中间体吸附行为与催化活性中占主导地位。其中，Q_loss(M）作为界面电荷转移的直接表征量，被确认为决定催化性能变化的关键因子，明确了铁电极化诱导的电子再分布机制在催化性能调节中的核心地位。此外，作者还构建了一个基于元素周期表属性（如族数、电负性、原子半径等）的轻量化模型，用于实现对优异OER催化剂的快速筛选与预测。该数据驱动策略显著提升了铁电调控单原子催化剂体系的设计效率，展现出理论模拟与机器学习在催化剂开发中的协同潜力。

图文解析

图1. 铁电 In₂Se₃/C-N-M 异质结构的催化剂模型和稳定性筛选

图2. OER反应路径及基于铁电极化调控的吉布斯自由能变化图

图3. 铁电 In₂Se₃/C-N-M 异质结构OER路径的选择性

图4. In₂Se₃/C-N-Ir体系在恒电位隐式溶剂模型下的OER催化反应机理

图5. 线性标度关系及火山图分析

图6. 基于机器学习模型的特征重要性分析和OER催化反应活性预测

总结与展望

本文以In₂Se₃/C-N-M 铁电异质结构为原型，系统研究了铁电极化对SACs中OER电催化性能及其相关机制的影响。研究表明，α-In₂Se₃作为异质结构中的铁电衬底，能够在不同极化态下为SACs提供优异的结构稳定性。通过极化方向的切换调控关键中间体的吸附能，可显著降低多个稳定体系的理论过电位（η）。值得注意的是，In2Se3/C-N-Ir体系在两种反应路径（AEM与OCM）下均实现了近乎理想的低过电位，分别为0.07 V和0.10 V，表现出优异的催化性能。此外，该体系在不同极化状态下均可维持稳定的催化活性，并适用于宽pH范围的工作条件，展现出良好的实际应用潜力。研究还发现，OCM机制同样可以在SACs上发生，但受到金属中心d电子数的限制。进一步地，作者构建了可用于预测铁电异质结构SACs催化性能的机器学习模型，分析表明界面电荷转移是铁电极化调控催化性能的关键特征。本工作提出了一种基于铁电异质结构提升SACs体系OER活性与稳定性的全新策略，为高效、可调电催化剂的设计与开发开辟了新的思路。

文献信息

Hao Ma, Xinyu Ye, Xiaoning Li, Zhichuan J. Xu,* and Yuanmiao Sun*, Ferroelectric Polarization Effects of Single-Atom Catalysts on Water Oxidation. Adv. Mater. 2025, 2500285.

通讯作者简介

孙源淼研究员简介：2013年本科毕业于山东大学，随后于新加坡南洋理工大学获得博士学位，之后继续在新加坡南洋理工大学做博士后，2023年回国工作入职中国科学院深圳先进技术研究院，任职研究员。主要从事计算材料学与AI for Materials研究，聚焦能源存储与能源转换过程中的重要科学问题开展工作。入选全球前2%顶尖科学家榜单。

徐梽川教授简介：现为新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授、英国皇家化学会会士、新加坡工程院院士。于兰州大学获得化学学士学位和电分析化学博士学位（与中科院物理研究所和布朗大学联合培养）。在纽约州立大学和麻省理工学院分别作为客座研究助理和博士后研究员参与工作。于2019年获得国际电化学协会田昭武能源电化学奖。其领导的课题组主要研究兴趣为电催化。自2018年起连续被选为科睿唯安高被引学者。