比利时哈瑟尔特大学杨年俊/中国科学院山西煤化所童希立团队：用于碱性析氢中铑纳米催化剂的设计与性能研究

近日，比利时哈瑟尔特大学杨年俊教授与中国科学院山西煤炭化学研究所童希立团队的AMR述评文章“Design and Performance of Rh Nanocatalysts for Boosted H₂ Generation in Alkaline Media”在线发表。文章总结了近年来铑基催化剂调控优化策略以及相应碱性析氢反应机制的研究进展，在此基础上提出铑基催化剂发展目前面临的挑战和解决方案，并指出未来应着力的研究方向。

关键词：铑基催化剂，结构工程，表面工程，界面工程，碱性析氢

1 文章内容概述

与可再生能源结合，电解水技术制备氢气被广泛认为是一种最重要的可持续性绿氢制备技术。目前，工业制备高纯氢气通常选择在相对温和的碱性条件下进行。由于在碱性电解液中没有直接可用的质子，导致析氢反应（HER）的动力学缓慢。铂（Pt）凭借着其合适的氢吸附能力，被认为最经典的HER催化剂。然而，Pt在碱性溶液中的水解离效率很低，限制了其在碱性环境中的使用。因此，探索同时具有高水分解活性和适当氢吸附能力的催化剂对于电解水的工业应用显得尤为重要。

近年来，在各种报道的非Pt催化剂中，铑（Rh）基催化剂表现出了优异的碱性HER性能。这可以归因于Rh的两个优点：一是Rh位于Trasatti火山图的顶点附近，表明其具备理想的氢吸附吉布斯自由能(ΔG_H*)以促进H₂的析出；二是Rh基金属催化剂比其它Pt基金属催化剂的水解能力更强。尽管用于碱性HER的Rh基催化剂已经取得了很大的进展，但是由于Rh的价格过于昂贵，需要进一步减少Rh的用量并且提高催化活性。鉴于此，基于碱性HER的机理，设计和构建新型高效的Rh基催化剂是非常有意义的。

在这篇Account文章中，我们综述了近年来Rh基催化剂的设计、合成策略及其对应的碱性析氢强化机理的研究进展。简要比较了酸性和碱性HER的不同反应路径，归纳了Rh基催化剂设计策略，包括结构工程（尺寸、合金、形貌调控）、表面工程（元素掺杂、晶面控制、构筑复合物）和界面工程（Rh/化合物、Rh/碳载体界面）。最后团队对Rh基催化剂面临的挑战和机遇提出了原创的见解和建议。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

氢气（H₂）具有能量密度高、原料丰富、零碳排放的优点，满足未来绿色新能源的需求，是解决能源危机、缓解环境问题最有前景的清洁能源载体。水电解技术与间歇性可再生能源相结合能为高纯度氢气的制备提供一种经济、高效的生产策略。目前大规模制氢的工业应用在碱性环境下进行，这是因为催化剂和析氢设备在酸性且高电位条件下很难经受住长期的腐蚀。此外，随着聚合物电解质膜的快速发展，碱性析氢技术也越来越成熟。遗憾的是，碱性介质中没有直接可用的质子，需要消耗更多的电能先进行水的解离，因此探索高活性和高稳定性的碱性HER催化剂具有重要的现实意义。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

为了使碱性HER可用于工业应用，仍然存在一些挑战。首先，目前报道的Rh纳米材料暴露的晶面主要以低指数晶面为主。事实上高指数晶面往往能表现出更好的催化性能，因此构建具有更多高指数晶面的Rh是有意义的。第二，应该对Rh基催化剂的结构和电子状态进行系统的研究。常规分析技术在Rh的原子水平上仍然存在缺失，可以引入先进的分析技术如像差校正的高角度环形暗场 STEM和X射线吸收精细光谱技术等。HER过程中的实时、原位表征也需要高度重视。第三，应进行更多的理论研究。DFT计算已被认为是确定碱性HER机理的一种有效策略。其中氢吸附吉布斯自由能(ΔG_H*)通常用来评估HER催化剂的适用性。同时应用的催化剂模型中的原子量和OH-的浓度也必须要加以分析，因为它们对H*在催化剂上的覆盖度有影响。考虑到溶剂化效应的影响，ΔG_H*需要在气相中计算。此外，选择合适的载体也是至关重要的。通过这些方法，可以进一步降低Rh催化剂的成本，显示出大规模应用的竞争潜力。

作者简介

杨年俊，比利时哈瑟尔特大学教授，在日本国立福井大学获得博士学位。主要从事功能材料电化学的基础与应用研究，并在相关领域发表论文多篇。

童希立，中国科学院山西煤炭化学研究所煤炭高效低碳利用全国重点实验室课题组组长，副研究员，三晋英才。在同济大学获得博士学位（2010），在德国马普微结构物理研究所从事博士后研究（2011-2011）。主要从事新进电催化的设计合成及应用研究。在Adv. Energy Mater.、Acc. Mater. Res.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catalysis、 Small等期刊发表SCI论文120余篇。

郭艳，中北大学，讲师。在中国科学院山西煤炭化学研究所获得博士学位（2023）。2023年5月进入中北大学工作。主要从事纳米材料的设计合成及其在电化学能源转换与存储中的应用研究。近年来在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Acc. Mater. Res.、Nano-Micro Lett.、Carbon等期刊发表SCI论文多篇。

扫码阅读杨年俊教授-童希立研究员团队的精彩Account文章：

Design and Performance of Rh Nanocatalysts for Boosted H₂ Generation in Alkaline Media

Yan Guo, Xili Tong*, and Nianjun Yang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00146

投稿指南目前Accounts of Materials Research的投稿主要基于编辑团队的邀请。如您有意投稿，请先按照Author Guidelines的要求准备并投递proposal， 编辑团队会对您的proposal进行评审。如果proposal被接受，我们将向您发送投稿邀请。扫码阅读作者指南，下载proposal form：