第一作者：马明宇，赵泊屹
通讯作者：何勇民，唐鹏翼，刘立仁，刘政
通讯单位：湖南大学，南京工业大学， 南洋理工大学，中科院上硅所等合作单位
论文DOI：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66837-y
问题：工业化碱性 AEM 电解槽通常在 >1 A cm-2、高温长时条件下运行，远严苛于常规三电极测试，对催化剂的稳定性提出巨大挑战。
矛盾：单原子/原子级分散催化剂活性高，但因“点对点”配位较弱，在真实电解槽中容易迁移、流失。
我们的思路：不再只做“孤立单原子”，而是通过 “原子有序（atom ordering）” 策略，在 VN 晶格中构筑三角有序 Co 原子团（Co3），利用其对邻近 V 位点的“邻位激活”效应，把惰性基底变成高活性催化界面。
关键成果：所构筑的 O-Co/VN 催化剂在 1 A cm-2 电流密度下长期稳定工作，组装成 AEM 电解槽后，在 0.5 A cm-2 仅需 1.97 V，稳定运行超过 600 h，电压衰减仅 ~0.13 mV h-1。
意义：为“如何在工业工况下兼顾高活性与高耐久性”提供了一条新的催化剂设计路径——用原子有序激活基底，实现“面催化”而非“点催化”.
以可再生能源驱动的水电解制氢，是实现“绿氢”与“双碳目标”的重要技术路径，其中碱性阴离子交换膜（AEM）电解槽因可使用非贵金属催化剂而备受关注。但实际 AEM 电解槽中，电流密度常在 0.5–1 A cm-2、温度 50–80 ℃、运行时间 ≥100 h，远高于常规三电极测试（10–100 mA cm-2、室温、短时）。
近年来兴起的单原子/原子分散催化剂兼具高本征活性和低用量，已在理论与半电池测试中表现优异，但在实际电解槽中往往面临：
金属–载体作用不足，易迁移聚集/ 流失；
局部应力与气泡冲击导致活性位点快速钝化；
难以在高电流密度下长期保持结构完整。
因此，如何在原子尺度上同时提升活性与结构稳定性，并在实电解槽中验证，是当前 AEM 电解研究的核心难题之一。
传统思路多聚焦于“把金属做成单原子”，但很少考虑“在晶格中如何有序地排布这些原子”。
本工作提出：如果能在VN 晶格中构筑有序的 Co 原子三角单元，或可在保持原子级分散的同时，大幅增强结构稳定性，并通过电子结构调控“激活”周围的 V 位点。
1. 原子有序策略：
通过 DFT 计算与迁移能垒分析，预言三角有序 Co3（O-Co3）相比传统表面单原子/团簇具有更高的结构稳定性与更大的迁移能垒。
2. 光诱导自组装：
利用具有深层 V 空位的 VN 支撑体，在强 UV 光照下实现 Co 原子在晶格内部迁移并自组装成三角有序结构。
3. “邻位激活”机制：
Co 三角有序单元向邻近 V 原子转移电子，使其氢吸附自由能接近 0，实现对 VN 基底的协同激活，构筑“放大量”的高活性界面。
4. 实电解槽验证：
在实际 AEM 电解槽中实现安培级（1 A cm-2）长时稳定运行，电压与耐久性均优于或可比 Pt/C 体系，真正跨越了“从三电极到全电解槽”的鸿沟。
图1. 原子有序设计理念——从 DFT 到能垒计算
要点：
1. 首先通过 DFT 计算比较了表面单原子（SS-Co）、晶格替位 Co（LS-Co）、表面Co3、晶格内 Co3（O-Co3）等多种构型的结合能与迁移能垒。
2. 迁移能垒顺序：SS-Co1< LS-Co1< SS-Co3 < O-Co3，说明 Co 三角有序结构在 VN 晶格中最难迁移与流失。
3. 同时发现，当 Co 在 VN 晶格中形成有序三角结构时，更容易形成稳定的Co3–V 配位环境，为后续的催化稳定性奠定基础。
图2. 光诱导自组装构筑 Co 三角有序以及相关原子级表征
要点：
1. 以含丰富深层 V 空位的 VN 纳米结构为支撑体，通过光诱导自组装（photo-induced self-assembly）工艺：
在 UV 光照下，溶液中的 Co 前驱体被还原并优先填补 VN 晶格中的深层 V 空位；
随着时间推移，Co 原子在晶格内迁移并自组装为三角有序 Co3单元。
2. 高分辨HAADF-STEM 与 STEM-EELS成像直接观察到：
Co 原子单原子级分散，主要占据 V 位点；
大量 Co 原子呈三角排列分布在 VN 晶格中，模拟像与实测像高度一致，证实了原子有序结构的存在。
图3. 三电极测量工业电流密度下的析氢活性与耐久性
要点：
在 1 M KOH 三电极体系中：
O-Co/VN 的 Tafel 斜率约 63 mV dec-1，起始过电位低于 SS-Co/VN，甚至在高过电位区段对 Pt/C 实现反超；
在 10–1000 mA cm-2电流密度下进行长时间阶梯恒电流与恒电流测试，电位几乎无衰减，而 SS-Co/VN 在 500 mA cm-2下迅速失活。
图4.“邻位激活”与表面“面催化”的直接证据
要点：
1. DFT 计算显示：
Co 单原子会向邻近 V 原子转移电子，调节其氢吸附自由能 ΔGH*；
在 Co 三角有序结构中，这种电子转移更加显著，使得多圈 V 位点被“激活”，ΔGH*接近 0。
2. XAS 分析发现，O-Co/VN 在工作状态下出现明显的Co–V 配位壳层，说明 Co3单元与邻近 V 位点之间存在强耦合。
3. 利用团队构建的芯片化 TIRF 单分子成像平台，在 O-Co/VN 薄膜上观察到密集且均匀分布的纳米气泡核（对应 HER 活性位），其数量约为裸 VN 的 ~600 倍，直接证明了“Co 三角有序激活整个 VN 表面”这一图景。
图5. 析氢活性与耐久性：从三电极到安培级 AEM 电解槽
要点：
组装成AEM 水电解槽后：
1. 以 O-Co/VN 为阴极、IrO2为阳极，在 60 ℃ 条件下，0.5 A cm-2仅需 1.97 V，优于 Pt/C 电极（2.19 V）；
2. 在 500 mA cm-2下稳定运行超过660 h，电压衰减率约0.13 mV h-1，显示出接近甚至超过贵金属体系的耐久性。
本工作表明，“原子有序（atom ordering）+ 邻位激活（adjacent activation）”是一种兼顾活性与耐久性的普适催化剂设计思路：
通过在晶格中构筑稳定的Co 三角有序结构，可在工业级电流密度下保持结构完整；
通过对基底 V 位点的电子结构调控，将惰性载体转化为协同参与反应的高活性界面，从“点催化”拓展为“面催化”。
展望未来，这一策略有望推广至：
其他过渡金属–氮化物/碳化物体系；
氧析出（OER）、氮还原、硝酸盐电还原等其他重要反应；
与机器学习–高通量筛选结合，加速不同原子有序构型的发现与优化，为下一代工业电解槽提供可设计、可放大的原子级催化剂。
原文题目：Triangular-Ordered Co Atoms Activate Substrates for Ampere-Level Durable Hydrogen Production
期刊：Nature Communications
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66837-y
何勇民，湖南大学教授、博士生导师，岳麓学者特聘教授，入选国家海外高层次人才计划。主要从事低维材料与微纳器件研究，近年重点布局“电子器件+电化学”的交叉方向，即将微纳电子器件与电化学手段深度结合，发展用于电催化反应微区表征、原位监测和精确定量分析的新方法。
作为通讯作者或第一作者，何勇民教授在 Chemical Reviews, Nature Materials, Nature Catalysis, Nature Synthesis, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano 等期刊发表论文多篇，论文总被引逾 9000 次，H 指数为 41。
课题组主页：http://www.heyongmin-group.com/
马明宇，博士后研究员，现于南洋理工大学材料科学与工程学院Liu Zheng教授和Zhang Zhengyang博士团队从事电催化与单分子成像相关研究。研究兴趣包括：高通量与数据驱动的电催化材料发现、原子级结构–性能关系、单分子/单实体原位成像等，以第一作者或共同第一作者在 Nature Communications, Chemical Review, and Advanced Functional Materials. 等期刊发表论文多篇。
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