港城大呂堅院士/哈工大孫李剛《Energy Environ. Sci.》：新型雙相超納多組元合金催化劑，實現高效析氫！

在推動“碳達峰”與“碳中和”戰略目標中，可持續能源電解水制氫技術發揮著至關重要的作用。目前大多數HER電催化劑都具有良好的催化活性和選擇性，但由于結構和催化穩定性較弱，因此沒有達到工業和可持續性的要求。特別是多組元合金催化劑，通常需要通過脫合金等后處理手段將非活性的組分除去并形成多孔結構來提升催化活性。目前為止，人們關注的焦點是選擇提供協同相互作用的元素來提高多組元合金的催化性能，相比之下，其他調節電子構型和修改多組元合金催化行為的基本和通用策略，例如結構工程和異質原子介入相結合，很少被報道。呂堅院士團隊基于2017年首次提出并在《Nature》封面報道了雙相超納超強鎂合金（Nature, 2017, 545, 80-83）的結構基礎上，通過創新性調控材料微觀結構和活性位點配位環境，開發出具有超高活性的雙相超納多組元合金析氫催化劑，該合金具備新型的雙相超納結構和特殊的次近鄰氧配位的活性位點，為開發新型高性能催化劑開辟了新的途徑，也為氫能源發展帶來新動力。該研究成果以題為“Boosting Hydrogen Evolution Activity: Next-Nearest Oxygen Coordination in Dual-Phase Supra-Nanostructured Multiprincipal Element Alloy Catalysts”發表在國際著名期刊Energy & Environmental Science上。論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee03150d

結果顯示，該多組元合金具備均勻的晶體-非晶雙相超納結構，晶體相和非晶相均勻分布在整個合金中，晶體相富含Pd其平均尺寸為~4.69 nm, 非晶相富含O其厚度~1.2 nm。其余元素均勻分布在整個合金中，整體氧含量高達42.24 at%。

在10 mA cm?2的電流密度下過電位僅有10.16 mV，相比于其他已報道的催化劑特別是多組元合金催化劑具備更優異的活性。異質氧原子的介入可使得合金催化劑催化活性更穩定。該雙相超納催化劑在AEM電解水器件中可以在500 mA cm?2的電流密度下穩定運行1000個小時。

密度泛函理論揭示了異質原子氧介入到雙相超納結構的多組元合金優化了整個催化劑的電子結構和H*吸附能，大量在界面上的次近鄰O配位活性位點產生了接近零的ΔG_H*值和多組元合金的其他位點提供有效的水吸附和解離能力，協同加速HER的反應過程。

本工作通過簡單的磁控濺射的方法制備一系列雙相超納結構的多組元合金，通過引入異質原子在晶體和非晶的界面處產生特殊的次近鄰氧配位的活性位點，使得多組元合金催化劑不需進一步的脫合金處理提高活性，直接表現出卓越的析氫反應活性和耐久性。該工作揭示了雙相超納結構和異質原子介入相結合在電催化中的重要作用，為拓展結構和微觀配位環境調控增強多組元合金電催化活性提供了新的設計策略。

【作者簡介】

呂富聰博士（第一作者）：現任香港城市大學博士后研究員。2020年10月博士畢業于香港城市大學機械工程系，師從呂堅（Jian Lu）院士。博士畢業后繼續在呂堅院士課題組做博士后研究。主要從事能源存儲與轉化等先進材料的設計與研發，包括復雜合金、納米材料、水凝膠等，在電解水制氫和能源存儲中的應用。研究方向涉及金屬材料、納米材料、材料設計、化學、電化學等交叉學科。至今在國際權威期刊發表SCI論文50余篇、其中第一/共同第一作者論文7篇。第一/共一作者論文包括Energy & Environmental Science 1篇、 Nature Communications 1篇、 Small 1篇、Chemistry of Materials 1篇、 Nano Research 1篇、 ACS Applied Materials & Interfaces 1篇、 Chemical Communications1篇。谷歌學術引用3100+次，H-index 29。

孫李剛副教授（通訊作者）：現任哈爾濱工業大學（深圳）理學院副教授。博士畢業于香港城市大學，導師為何小橋教授和呂堅院士。孫李剛博士主要從事材料的微納結構與性能關系研究，旨在助推高性能結構材料和功能材料的開發。通過結合模擬計算與實驗方法探究材料的“納米/原子結構-力學/化學性能-微觀物理機制”之間的本質聯系。主要的研究對象包括納米孿晶金屬、超納/納米雙相金屬、金屬玻璃和高熵合金等。相關成果已在包括Nature、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Materials Today和Acta Materialia等學術期刊上發表論文50余篇，總被引2300余次（Google Scholar數據）。擔任Nature Communications等期刊審稿人。主持國家自然科學基金青年項目、廣東省面上項目等6項國家級和省市級科研項目。國防重點基礎研究項目和深圳市重點實驗室等團隊核心成員。廣東省力學學會青年工作委員會委員。深圳市海外高層次人才B類。

呂堅院士（通訊作者）:?呂堅，法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程科學院院士、香港城市大學機械工程講座教授、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，機械系統仿真模擬設計。曾任法國機械工業技術中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人、法國特魯瓦技術大學機械系統工程系主任、法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統與并行工程實驗室主任、香港理工大學機械工程系系主任、講座教授、香港城市大學院長，副校長兼研究生院院長。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學、西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得53項歐、美、中專利授權，在本領域頂尖雜志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. 等專業雜志上發表論文480余篇，引用4萬5千7百余次 。