开发高稳定性、高活性以及低成本的电催化剂是催化科学技术领域的永恒追求。近年来，非贵金属催化剂已经成为了催化领域的研究热点。然而，这类催化剂普遍存在长期稳定性和高催化活性之间的权衡问题，这是因为优化后的高催化活性位点往往更易受到复杂催化反应环境因素的影响。例如氧气、水蒸气、臭氧、酸性/碱性反应介质等因素都可能通过化学作用毒化催化活性位点，导致催化剂表面发生重构并破坏其几何/电子结构，造成催化剂失活。因此，寻找一种有效的策略来打破非贵金属催化剂所面临的活性-稳定性权衡问题是一个巨大的挑战。
催化剂活性-稳定性权衡的关键问题是催化剂表面对反应物和毒化物种的选择性化学吸附。换句话说，选择性地削弱毒化物种在催化剂表面的吸附能力，将极大地抑制这些毒化物种诱导催化剂发生重构，从而同时实现了催化剂的高活性和高稳定性。受自然界中宏观栅栏的启发，作者试图设计一种具有类似功能的基质来屏蔽影响催化剂稳定性的环境因素，同时还可以促进反应物的吸附从而进一步优化其催化活性。该策略有望解决非贵金属催化剂面临的高活性和长期稳定性之间的权衡问题。此外，深入理解栅栏工程的分子作用机制对于设计高稳定性的非贵金属催化剂至关重要。
近日，北京理工大学化学与化工学院曹敏花教授课题组在解决电催化剂的活性-稳定性权衡问题方面取得了重要研究进展，相关研究成果在Angewandte Chemie International Edition 杂志上在线发表。论文报道了具有分子选择性的栅栏工程策略，解决了催化剂活性与稳定性之间的权衡问题。这种独特的分子栅栏不仅可以有效地阻断毒化物种侵蚀催化剂，同时又允许与催化反应相关的物种自由地扩散到催化剂表面。采用一步法在高活性的Co 掺杂的MoS2催化剂外表面原位构建了具有分子选择性的CoS2栅栏（Co-MoS2@CoS2），通过分析Co-MoS2@CoS2碱性析氢反应性能，发现这种分子栅栏策略显著提高了Co-MoS2的催化稳定性，并进一步优化了其催化活性。同时，结合密度泛函理论模拟和实验手段，进一步验证了CoS2分子栅栏不仅能有效保护Co-MoS2催化剂免受O2和OH−毒化物种的侵蚀，而且能促进Co-MoS2对H2O分子的吸附，从而抑制MoS2在电解液中的溶解，实现其优异的碱性析氢反应稳定性和活性。这一策略为解决高活性非贵金属基催化剂的活性-稳定性权衡问题开辟了新的前景，并为设计高效、稳定的非贵金属基电催化剂的大规模应用提供了新思路。
图1. Co-MoS2 (002) 和CoS2(200) 模型的结构示意图以及它们对不同物种的吸附特性
该论文的通讯作者为北京理工大学化学与化工学院曹敏花教授和毛宝光博士后，论文第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士研究生黄敬斌和郝梦瑶。
The Underlying Molecular Mechanism of Fence Engineering to Break the Activity-stability Trade-off of Catalysts
Jingbin Huang,+ Mengyao Hao,+ Baoguang Mao,* Lirong Zheng, Jie Zhu, and Minhua Cao*
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202114899
曹敏花，北京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，洪堡学者。主要从事能源存储与转化材料的功能导向性设计及电化学机理研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊上发表SCI论文100余篇。
https://www.x-mol.com/university/faculty/8893
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