氢气是一种清洁且能量密度高的未来燃料，对于实现可持续能源与低碳经济转型至关重要。由可再生电力驱动的电解水制氢是最具发展前景的绿色制氢技术，可以实现零碳排放。然而，电解水制氢的两个半反应：析氢反应（HER）和析氧反应（OER），为多步质子耦合电子转移过程，动力学缓慢，需要较高的过电位驱动反应的进行，导致低的能量转换效率。因此，开发高活性、长效稳定的电催化剂是实现氢能源利用的关键。

近日，青岛科技大学化工学院刘希恩教授团队在电解水制氢领域取得系列进展，相关研究成果先后发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202317622;Angew. Chem. Int. Ed.2023, DOI: 10.1002/anie.202315633;Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300177;Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2301673;Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2213976;Adv. Funct. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adfm.202314899等国际期刊上。

同时优化水解离、氢气和OH解吸的能级是获得快速的碱性析氢反应动力学的关键。基于此，刘教授团队设计了一种无定形/结晶异相CeO_2-δ负载Ru团簇纳米催化剂（Ru/ac-CeO_2-δ），通过构建独特的氧空位（Vo）和Ru路易斯酸-碱对（Vo-Ru Lewis acid–base pairs）极大地促进碱性析氢动力学。实验结合理论计算研究表明，作为路易斯酸位点的氧空位促进了水的吸附、活化和H-OH键的断裂；同时，由于金属-载体相互作用弱化了Ru团簇的路易斯碱性，从而有利于氢气的解吸。更重要的是，水解离产生的OH滑落进入氧空位之后，可通过水辅助的质子交换路径（V_O-OH* + H₂O(aq)→V_O---H₂O* + OH^–(aq)）很容易地被释放出来，从而完成空位的再生。本研究为高效碱性析氢催化剂的设计提供了新思路(Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202317622)。

图1. Ru/ac-CeO_2-δ催化HER机理图

此外，该团队还构筑了具有丰富晶界的Ir（GB-Ir）催化剂，并实现了高效碱性析氢。实验和理论计算研究表明，晶界界面处形成了富电子的铱原子，提高了水的吸附能力，进而促进了H₃O⁺中间体的生成，创造了局部类似于酸的环境。更重要的是，H₃O⁺中间体降低了水的离解能垒，并提供了足够的氢质子，促进了氢原子从晶界处向远离晶界的位置溢出，从而协同地加速了氢气的产生(Angew. Chem. Int. Ed.2023, DOI: 10.1002/anie.202315633)。

图2. GB-Ir催化剂表面HER理论计算

上述工作做出主要贡献的团队成员包括秦清教授、侯利强副教授、刘尚果副教授、博士生王雪峰，硕士生江小丽、张英政、张亚男和朱胜林。以上研究成果得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者人才工程、山东省优秀青年基金、山东省自然科学基金青年项目等项目的资助。