港城大吕坚院士/哈工大孙李刚《Energy Environ. Sci.》：新型双相超纳多组元合金催化剂，实现高效析氢！

在推动“碳达峰”与“碳中和”战略目标中，可持续能源电解水制氢技术发挥着至关重要的作用。目前大多数HER电催化剂都具有良好的催化活性和选择性，但由于结构和催化稳定性较弱，因此没有达到工业和可持续性的要求。特别是多组元合金催化剂，通常需要通过脱合金等后处理手段将非活性的组分除去并形成多孔结构来提升催化活性。目前为止，人们关注的焦点是选择提供协同相互作用的元素来提高多组元合金的催化性能，相比之下，其他调节电子构型和修改多组元合金催化行为的基本和通用策略，例如结构工程和异质原子介入相结合，很少被报道。吕坚院士团队基于2017年首次提出并在《Nature》封面报道了双相超纳超强镁合金（Nature,2017, 545, 80-83）的结构基础上，通过创新性调控材料微观结构和活性位点配位环境，开发出具有超高活性的双相超纳多组元合金析氢催化剂，该合金具备新型的双相超纳结构和特殊的次近邻氧配位的活性位点，为开发新型高性能催化剂开辟了新的途径，也为氢能源发展带来新动力。该研究成果以题为“Boosting Hydrogen Evolution Activity: Next-Nearest Oxygen Coordination in Dual-Phase Supra-NanostructuredMultiprincipal Element AlloyCatalysts”发表在国际著名期刊Energy & Environmental Science上。论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee03150d

结果显示，该多组元合金具备均匀的晶体-非晶双相超纳结构，晶体相和非晶相均匀分布在整个合金中，晶体相富含Pd其平均尺寸为~4.69 nm, 非晶相富含O其厚度~1.2 nm。其余元素均匀分布在整个合金中，整体氧含量高达42.24 at%。

在10 mA cm⁻²的电流密度下过电位仅有10.16 mV，相比于其他已报道的催化剂特别是多组元合金催化剂具备更优异的活性。异质氧原子的介入可使得合金催化剂催化活性更稳定。该双相超纳催化剂在AEM电解水器件中可以在500 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行1000个小时。

密度泛函理论揭示了异质原子氧介入到双相超纳结构的多组元合金优化了整个催化剂的电子结构和H*吸附能，大量在界面上的次近邻O配位活性位点产生了接近零的ΔG_H*值和多组元合金的其他位点提供有效的水吸附和解离能力，协同加速HER的反应过程。

本工作通过简单的磁控溅射的方法制备一系列双相超纳结构的多组元合金，通过引入异质原子在晶体和非晶的界面处产生特殊的次近邻氧配位的活性位点，使得多组元合金催化剂不需进一步的脱合金处理提高活性，直接表现出卓越的析氢反应活性和耐久性。该工作揭示了双相超纳结构和异质原子介入相结合在电催化中的重要作用，为拓展结构和微观配位环境调控增强多组元合金电催化活性提供了新的设计策略。

【作者简介】

吕富聪博士（第一作者）：现任香港城市大学博士后研究员。2020年10月博士毕业于香港城市大学机械工程系，师从吕坚（Jian Lu）院士。博士毕业后继续在吕坚院士课题组做博士后研究。主要从事能源存储与转化等先进材料的设计与研发，包括复杂合金、纳米材料、水凝胶等，在电解水制氢和能源存储中的应用。研究方向涉及金属材料、纳米材料、材料设计、化学、电化学等交叉学科。至今在国际权威期刊发表SCI论文50余篇、其中第一/共同第一作者论文7篇。第一/共一作者论文包括Energy & Environmental Science1篇、Nature Communications1篇、Small1篇、Chemistry of Materials1篇、Nano Research1篇、ACS Applied Materials & Interfaces1篇、Chemical Communications1篇。谷歌学术引用3100+次，H-index 29。

孙李刚副教授（通讯作者）：现任哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授。博士毕业于香港城市大学，导师为何小桥教授和吕坚院士。孙李刚博士主要从事材料的微纳结构与性能关系研究，旨在助推高性能结构材料和功能材料的开发。通过结合模拟计算与实验方法探究材料的“纳米/原子结构-力学/化学性能-微观物理机制”之间的本质联系。主要的研究对象包括纳米孪晶金属、超纳/纳米双相金属、金属玻璃和高熵合金等。相关成果已在包括Nature、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Materials Today和Acta Materialia等学术期刊上发表论文50余篇，总被引2300余次（Google Scholar数据）。担任Nature Communications等期刊审稿人。主持国家自然科学基金青年项目、广东省面上项目等6项国家级和省市级科研项目。国防重点基础研究项目和深圳市重点实验室等团队核心成员。广东省力学学会青年工作委员会委员。深圳市海外高层次人才B类。

吕坚院士（通讯作者）:吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港城市大学机械工程讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、香港城市大学院长，副校长兼研究生院院长。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京滚球体育 大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程滚球体育 奖。已取得53项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Energy & Environmental Science、Materials Today、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文480余篇，引用4万5千7百余次 。