“OH”接力棒！北京理工周家东&太原理工王晓敏/王美玲&陕科大陈冠君，新发AFM！

最近，纳米金属颗粒与单原子催化剂(NMP-SACs)的结合被用于加速碱性条件下的析氢反应(HER)。然而，NMP-SACs的设计主要关注了*OH和H*的单独吸附，而忽略了*OH脱附，导致*OH在催化剂表面的积累以及动力学缓慢。

2025年5月27日，太原理工大学王晓敏、王美玲，陕西科技大学陈冠君，北京理工大学周家东在国际期刊Advanced Functional Materials上发表了题为《Spontaneous Alkaline Water Electrolysis Driven by the “OH-Baton”》的研究论文，Zhi Liu为论文第一作者，王晓敏、王美玲、陈冠君、周家东为论文通讯作者。

为解决这个问题，作者通过“一步双限制热解法”策略将Mo₂C引入到NMP-SACs（例如Pt纳米粒子-Pt原子，Pt_n-Pt₁）中，制备了Pt_n-Pt_1@Mo2C催化剂，其中Pt₁被Mo₂C精确限制，而Pt_n保持与Pt₁@Mo₂C相邻。

实验和计算表明，作为“OH接力棒”的Mo₂C有助于克服Pt₁上的*OH积累问题，加速H*和*OH的分离，从而促进自发的碱性水解离。因此，负载型Pt_n-Pt_1@Mo2C在碱性条件下实现了显著降低的超电势（η₁₀=24mV）和比Pt_n-Pt₁高出七倍以上的质量活性（MA₁₀₀=4.33 mA µgPt⁻¹）。

此外，基于Pt_n-Pt_1@Mo2C碱性阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）在1.0 A cm^-2的电流密度下实现了1.91 V的低电池电压，并在该条件下稳定运行120 h。

本工作为在双位点催化剂系统中引入“*OH接力棒”以实现自发的碱性水解离提供了新的思路。

图1：a）：Pt_n-Pt₁/NPC和Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC的制备过程；b）：HAADF-STEM图像表明在Pt₁/NPC前驱体中，Pt原子以单原子形式分散在NPC载体上，为后续的热解过程提供了均匀的活性位点分布；c）：HAADF-STEM图像表面在Pt₁-Pt_1@PMo12/NPC前驱体中，Pt原子不仅与NPC载体相互作用，还与PMo₁₂中的Mo原子形成了特定的结构，为后续Mo₂C的形成和Pt₁的限域提供了基础；d）：X射线吸收近边结构光谱表明在这两种体系中，Pt物质均处于原子态，没有形成明显的Pt纳米颗粒或氧化物；e）：扩展X射线吸收精细结构光谱表明在Pt₁-Pt_1@PMo12/NPC中，Pt原子不仅与NPC中的N原子相互作用，还与PMo₁₂中的O原子形成了稳定的配位结构。

图2：a-c）：表明在Pt_n-Pt₁/NPC结构中，Pt₁原子与Pt_n纳米颗粒紧密接触，形成了双活性位点结构，为碱性HER提供了丰富的活性位点；d）：在Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC结构中，Mo₂C的引入不仅减小了纳米颗粒的尺寸，还提高了颗粒的均匀性；e）：在该结构中，Mo₂C不仅作为“OH-baton”促进了*OH的解吸，还为Pt₁提供了稳定的限域环境；f）：在该结构中，Pt₁原子不仅被Mo₂C限域，还与Mo₂C晶格形成了良好的相互作用；g）：XRD确认了Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC中Pt_n和β-Mo₂C晶相的存在；h）：XANES光谱显示，Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC的吸收阈值介于Pt箔和PtO₂之间，与Pt₁/NPC一致；i）：EXAFS）光谱揭示了Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC中Pt原子的配位信息。

图3：a-b）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC在碱性条件下具有优异HER性能，能够在较低的电位下实现高效的氢气生成；c）：Tafel斜率表明Pt_n-Pt₁@Mo₂C/NPC具有更快的HER动力学；d）：制备的催化剂展现出最高的周转频率；e）：所制备的催化剂具有优异的电化学稳定性，能够在长时间的电解过程中保持高效的氢气生成性能；f）：与最近报道的碱性NMP-SACs相比，所制备的催化剂在过电位和Tafel斜率方面展现出显著优势；g）：进一步证实了Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC在碱性水分解中的高效性能；h）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC具备卓越的长期稳定性。

图4：a）：在碱性条件下，Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC展现出最低的CO氧化电位，表明其对OH的吸附能力最强；b）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC具有较低的OH脱附活化能，有利于OH的快速脱附；c）：证实了Mo₂C作为“OH-baton”在促进*OH脱附和提高催化剂活性方面的重要作用；d）：分析欠电位沉积氢的脱附，评估了催化剂的氢结合能。

图5：a）：计算Pt_n-Pt_1@Mo2C/C和Pt_n-Pt₁/C的自由能图表明Pt_n-Pt_1@Mo2C/C能够自发地进行水分解；b）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/C上HER机制的反应路径；c）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/C上解离H₂O所需的能量远低于Pt_n-Pt₁/C；d）：引入Mo₂C后，Ptn的d带中心（Ɛd）发生了下移（从-1.781降至-1.795eV），这表明H在Pt_n-Pt_1@Mo2C/C上的脱附变得更加有利；e）：Mo₂C的引入改变了Pt_n的电子性质，使其在催化反应中能够更有效地参与电子转移过程，从而加速了HER反应的进行；f）：工函数表明Pt_n-Pt_1@Mo2C/C具有更强的电子发射能力；g）：Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC上自发碱性H₂O解离的机制。

综上，作者研究了一种新型的“一步双限域热解”策略，用于制备纳米金属颗粒与单原子催化剂（NMP-SACs）结合的Pt_n-Pt_1@Mo2C/NPC催化剂，通过引入Mo₂C作为“羟基接力棒”（OH-baton）来克服Pt₁位点上的*OH堵塞问题，从而加速碱性水电解中的水解离过程。

不仅为设计高效的碱性HER催化剂提供了新的思路，还为开发高性能、低成本的水电解制氢技术奠定了基础，具有重要的科学意义和广阔的应用前景，有望推动可再生能源存储和氢能经济的发展。

Spontaneous Alkaline Water Electrolysis Driven by the “OH-Baton”, Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202508638.