新加坡国立大学陈伟教授团队：用于电解水的多尺度异质界面耦合催化剂

近日，新加坡国立大学陈伟教授团队的AMR Account文章“Advancing Multiscale-Coupled Heterointerface Catalysts for Enhanced Water Electrolysis”在线发表，围绕多尺度异质界面耦合催化剂（MCHCs）的构建理念、反应机制、发展现状和未来展望进行系统总结，旨在为构筑高效、稳定且可用于工业化电解水的催化剂提供指导。

关键词：氢能源；电解水；多尺度异质界面耦合；协同效应

1 文章内容简介

氢能源被广泛认为是应对能源危机与环境问题的关键解决方案，而电解水制氢作为清洁高效的手段受到重点关注。尽管近些年来电解水技术取得了长足进展，但仍面临反应动力学缓慢、催化剂稳定性差及成本高昂等挑战，制约其大规模推广，这是由于传统催化剂在水分解过程中存在中间体吸附能线性关系（Linear Scaling Relationship, LSR），其难以兼顾水分子活化与中间体脱附，从而无法实现理想的催化活性。

本述评系统总结了多尺度耦合异质界面催化剂（Multiscale-Coupled Heterointerface Catalysts, MCHCs）在电解水领域的研究进展。该策略通过集成单原子、团簇和纳米粒子等多尺度活性位点，构建协同耦合的界面结构，调控电子结构与几何构型，从而打破LSR约束，提升反应动力学与热力学性能，显著增强了HER与OER的整体效率与耐久性。

文中重点讨论了SAs-SAs、SAs-NPs、SAs-Clusters、NPs-NPs等典型MCHCs体系的设计原则与构建策略，详细阐述了其反应机制和协同增强机理。通过对前沿表征技术（如XPS、XAFS、HAADF-STEM等）与理论模拟的结合，揭示了多尺度界面在活性位调控、电子耦合及中间体吸附优化中的关键作用。同时，文章还指出当前MCHCs面临的挑战，如结构精准构建、界面耦合强度优化以及工业化制备等，并展望其在未来可持续氢能转化领域的广阔应用前景。

2 AMR：请简介本文的创新点？

作者团队：

本文围绕水电解反应中如何提升催化效率和耐久性的问题，提出“多尺度耦合异质界面”策略，即将单原子、团簇和纳米颗粒构筑为统一体系，使其在电子结构和几何构型上产生协同调控作用，打破线性关系的束缚。我们系统梳理了MCHCs的构建方法、典型应用（如HER与OER）、核心催化机制，以及相关原位表征技术的应用，强调了多尺度界面在调节反应路径与中间体吸附能中的关键作用。该研究为开发新一代高效、可规模化的水分解电催化剂提供了系统指导。

3 AMR：请问您为何选择该研究方向？

作者团队：

我们课题组长期致力于能源与环境领域中“Interface-controlled nanocatalysis”的研究，特别关注在原子尺度上探究催化表面反应机制及单分子操控。通过界面耦合策略的合理设计，我们已经实现了在超低贵金属载量（0.6 wt% Pt）下，其析氢性能媲美商业20 wt% Pt/C催化剂的研究成果，并且开发出可在5 A cm^-2工业级大电流密度下稳定运行的电解水催化剂。这些成果充分展现了多尺度耦合异质界面在电催化中的巨大优势，也将是我们课题组后续研究的重点方向之一。

4 AMR：您觉得MCHCs在未来有哪些“跨界”发展的潜力？？

作者团队：

MCHCs的设计理念并不仅局限于水电解。我认为未来它可以拓展到CO₂还原、氮还原反应甚至电催化有机合成等复杂反应体系。其多功能活性位点和可调控界面特性，适合处理多中间体参与、多路径竞争的反应过程。

作者团队简介

新加坡国立大学物理系/化学系

陈伟 教授

陈伟教授目前是新加坡国立大学（NUS）化学系和物理系的正教授、教务长讲席教授，NUS理学院副院长（科研）。他于2001年在南京大学获得化学学士学位，并于2004年在新加坡国立大学化学系获得博士学位。陈伟教授长期聚焦于二维材料表界面调控研究，及其在半导体电子器件，光电器件，类脑计算器件等方面的应用，以及用于能源和环境研究的纳米催化。已发表超过400篇高水平论文，文章被引超过3万余次，H-index 100，并多次入选全球高被引科学家。陈伟教授曾荣获2009年新加坡物理学会纳米技术奖，2012年新加坡青年科学家奖， 2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award, 2023年新加坡研究基金会NRF Investigatorship。课题组主页：https://chenweilab.com  

安徽工业大学

材料科学与工程学院

陈翔 副教授

陈翔，安徽工业大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。2012年毕业于南昌大学获得学士学位，2017年毕业于中国科学技术大学杨上峰教授课题组，获得博士学位，同年入职安徽工业大学材料科学与工程学院，2022年11月赴新加坡国立大学陈伟教授课题组开展博士后研究。主要从事电催化水/氨分解制氢材料的结构设计、性能优化和机理研究。近五年，以第一作者及通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表论文十余篇，第一发明人授权国家发明专利7项。 

新加坡国立大学化学系

晋红强 博士后研究员

晋红强，现为新加坡国立大学（NUS）陈伟教授课题组的博士后研究员。2018年毕业于北京科技大学获得学士学位，2023年于中国科学院化学研究所（导师宋卫国研究员）获得博士学位。目前主要从事单原子催化剂在能源转化和有机反应方面的相关研究。近五年，以第一作者身份在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Acc. Mater. Res., ACS Catal.等国际期刊发表论文9篇，获授权国家发明专利3项。

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Advancing Multiscale-Coupled Heterointerface Catalysts for Enhanced Water Electrolysis

Hongqiang Jin, Xiang Chen*, Yumin Da, Lei Fan, Rui Jiang, and Wei Chen*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00055

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