科学网—南京大学夏兴华/刘春根&华师大施毅等：相邻位点—单原子铂催化剂中主导析氢反应的新描述符

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2026-5-28 10:33

| 系统分类: 论文交流

Adjacent-Site Proximity as a Dominant Activity Descriptor in Single-Atom Pt Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction

Xue-Lu Chen#, Yu-Yang Liu#, Sudip Biswas, Yi Yang, Yi Shi*, Chun-Gen Liu*, Xing-Hua Xia*

Nano-Micro Letters (2026)18:350

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02201-z

本文亮点

1. 位点精准构建：通过位点特异性欠电位沉积策略，实现了对单原子铂催化剂中相邻铂位点的精准富集与氧化态调控。

2. 间距主导活性：揭示非键合相邻铂位点的间距是析氢反应(HER)活性的主导描述符，其质量活性比孤立铂位点高41倍。

3. 新型反应中间体：发现相邻铂位点稳定形成“Pt–H–Pt”三中心两电子桥式中间体，显著降低H–H耦合能垒，加速HER动力学。

研究背景

绿色氢能是全球能源转型的重要方向，而电催化析氢反应是实现无碳制氢的关键路径。铂基催化剂具有优异的氢吸附能和本征活性，仍是HER的标杆材料。然而，铂的稀缺性和高成本推动了单原子催化剂的发展。当前，大多数研究集中于通过电子结构调控提升催化性能，而相邻单原子之间的空间距离对反应活性的影响却鲜有探讨。如何实现对原子间距的精确控制，并揭示其在催化过程中的作用机制，是该领域的重大挑战。

内容简介

针对上述问题， 南京大学、华东师范大学等机构的研究团队 提出并验证了一种基于欠电位沉积-置换策略的单原子铂催化剂设计方法。通过在MoS₂纳米片上精确调控铂原子的间距，成功构建了从孤立铂位点到相邻铂位点富集的系列催化剂。研究发现，HER活性主要受相邻铂位点的非键合间距控制，而非铂的氧化态。富含相邻铂位点的催化剂表现出显著增强的HER活性和优异的稳定性。结合原位红外光谱与密度泛函理论计算，研究团队首次揭示了相邻铂位点通过形成“Pt–H–Pt”三中心两电子桥式中间体，优化氢吸附能并促进H–H键形成。这一发现确立了相邻位点间距作为单原子催化剂活性描述符的新范式，为高效电催化剂的设计提供了全新思路。

图文导读

I 精准构建：UPD-置换策略实现铂位点间距调控

研究团队采用欠电位沉积技术，在化学剥离的MoS₂纳米片表面优先沉积铜原子，再通过电化学置换反应将铜替换为铂，成功制备出一系列单原子铂催化剂(Pt SA -X/MoS₂，X为沉积电位)。通过调节沉积电位，实现了从孤立铂位点到相邻铂位点富集的连续过渡。HAADF-STEM图像清晰显示，随着沉积电位降低，铂原子间距逐渐缩小，相邻位点的数量显著增加。XPS和XAFS分析进一步证实，铂的氧化态也随之变化，但其与HER活性之间关联较弱，甚至可以忽略。

图1. 间距可控Pt位点设计和形貌表征。

图2. 间距可控Pt位点电子结构和配位环境表征。

II 性能飞跃：相邻铂位点实现41倍质量活性提升

电化学测试结果显示，富含相邻铂位点的 Pt SA -0.1/MoS₂在10 mA cm⁻²下的过电位仅为35 mV，优于商业Pt/C(38 mV)。在100 mV过电位下，其质量活性高达144 A mgPt⁻¹，是孤立铂位点催化剂( Pt SA -0.3/MoS₂)的41倍，是商业Pt/C的144倍。Tafel斜率为32 mV dec⁻¹，表明其遵循更高效的Volmer-Tafel路径。经过5000次循环，催化活性几乎无衰减，展现出卓越的稳定性。

图3. 电催化活性表征。

III 机理揭示：桥式氢中间体加速反应动力学

原位ATR-FTIR光谱显示，孤立铂位点仅能吸附线性氢中间体，而相邻铂位点则能稳定桥式氢中间体，表现为1950 cm⁻¹附近的特征峰。DFT计算进一步揭示，相邻铂位点上的两个铂原子与一个氢原子形成“Pt–H–Pt”三中心两电子结构，其中铂的6p轨道参与成键，显著降低H–H耦合能垒。此外，随着铂载量增加，电极的零电荷电位负移，削弱界面电场，进一步促进Volmer-Tafel路径的进行。

图4. 机理探究。

IV 总结

本研究首次提出并验证了相邻位点间距作为单原子催化剂中析氢反应的主导活性描述符。通过欠电位沉积-置换策略，实现了对铂原子间距和氧化态的双重调控，揭示了相邻铂位点通过形成“Pt–H–Pt”桥式中间体加速HER的机制。该工作不仅为高性能单原子催化剂的设计提供了新范式，也为其他能源转化反应(如CO₂还原、氮还原)中的位点间距效应研究提供了理论依据。

作者简介

夏兴华

本文通讯作者

南京大学 教授

▍ 主要研究 领域

仿生纳米材料、光电生物传感与振动光谱超分辨成像、微纳流控生化分析。

▍ 主要研究成果

南京大学化学化工学院教授。兼任J. Electroanal. Chem.主编，Anal. Chem.、Talanta、《高等学校化学学报》和《分析化学》等十余刊物编委。先后主持973项目课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金(重大项目课题、重点和面上)、省部级和国际合作等项目40余项。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等期刊发表论文500余篇；撰写6专章，合作翻译《电化学》专著1部；受邀报告200余次，获授权中国发明专利30余项。2011年获教育部自然科学优秀成果一等奖1项。

▍ Email： xhxia@nju.edu.cn

刘春根

本文通讯作者

南京大学 教授

▍ 主要研究 领域

电子结构与分子模拟理论，理论电化学，机器学习力场。

▍ 主要研究成果

南京大学化学化工学院教授，长期从事电子结构理论方法研究。近年来，发展显含电势的自由能计算方法及机器学习势模型，探究典型电化学表界面体系的原子吸附、迁移、反应等基本过程的微观机制；基于机器学习势发展凝聚相体系分子动力学增强采样算法，探究水基电解质溶液中结构本质与动力学行为；研究工况条件下催化反应体系中目标反应与催化剂及载体自由度的相互耦合。在 J. Am. Chem. Soc; Phys. Rev. Lett., Nat. Commun.; ACS Catal.等重要学术期刊发表论文，先后主持多项国家自然科学基金项目与科技部重点研发“催化专项”课题。

▍ Email： cgliu@nju.edu.cn

施毅

本文通讯作者

华东师范大学 研究员

▍ 主要研究 领域

多模态生物传感与成像、电化学诊疗、能源小分子电催化。

▍ 主要研究成果

华东师范大学化学与分子工程学院青年研究员、博士生导师。研究方向聚焦于新型电化学技术在细胞及活体层面的实时、动态、精准多模态检测，以及相关柔性器件与可穿戴设备的研发。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano-Micro Lett.、ACS Catal.、Anal. Chem.等期刊发表论文16篇，其中3篇为ESI高被引论文。论文总引用4000余次，H因子24，获授权中国发明专利1项。近年来主持国家自然科学基金面上及青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、新加坡A*STAR职业发展基金( CDF )等科研项目，获江苏省“双创”博士及教育部“101计划”优秀骨干教师等荣誉称号。

▍ Email： yshi@chem.ecnu.edu.cn

撰稿：原文作者

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