刘建军等提出“亚稳相催化”设计策略

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工业大规模电解水制氢主要采用碱性电解水制氢技术，其制氢工艺简单，产品纯度可达99.9%，被视为最具有潜力的大规模制氢技术。然而，超高电流下，超低过电位与低成本之间的权衡仍然是工业电解水制氢的一个巨大挑战。在该研究领域，计算电化学方法、机器学习、电化学实验表征紧密结合，为设计高活性析氢电催化剂奠定了重要基础。
　　近期，中国科学院上海硅酸盐研究所刘建军研究员团队和复旦大学叶明新、沈剑锋教授团队合作，提出了“聚阴离子掺杂诱导亚稳相催化”的催化剂结构设计策略，通过磷酸根掺杂亚稳相β-NiMoO4激活费米能级处活性电子态，有效降低碱性电解质水分解生成H*能垒，进一步促使H*耦合生成H2脱附，表现出最佳的氢吸附自由能(-0.046eV)，高效提升催化剂本征稳定性和活性。研究发现，磷酸盐取代的 β-NiMoO4在1000mAcm-2的超高工业电流密度下保持200h的长期稳定，过电位仅为-210mV。相关工作发表在Nature Communications 2021, 12, 5960。

磷酸根掺杂亚稳相b-NiMoO4高效促进碱性介质水分解生成H*源，进一步耦合生成H2脱附，实现碱性条件下超高电流、超低电位电解水制氢

碱性/中性条件Ru单原子和团簇协同催化，有效降低碱性条件水分解能垒，促使H*耦合生成H2脱附，实验验证10mAcm-2电流下过电位制氢仅有9mV。

多级高通量计算与机器学习进行金属相TMDs高活性析氢催化剂的筛选与描述符的构建。

　　基于“亚稳相催化”设计理念，刘建军研究员团队与上海硅酸盐所王家成研究员团队合作构建Fe/N共掺石墨烯基底(Fe-N-C)、纳米级钌(Ru)纳米粒子(NPs)和单个Ru原子组成复合二维材料，Fe/N共掺杂石墨烯基底从热力学稳定性上可以促使Ru-NPs高效分散形成小尺寸NPs和单原子(SAs)，Ru纳米粒子降低水解离能垒，Ru单原子协同促进H*源快速结合生成H2脱附，协同提高碱性析氢催化活性。在10mAcm-2(η10) 电流下具有超低过电位 (9mV)，优于碱性条件下商用的 HER 电催化剂。相关工作发表在Advanced Science 2021, 20, 2001881.
　　亚稳相1T-MoS2具有高析氢催化活性，设计更广泛的金属相过渡金属硫属化物(TMDs)面临巨大的挑战。通过高通量计算筛选与机器学习结合，建立了电子带隙、相稳定性、空位形成能、氢吸附能的多级筛选策略，筛选出完美的单层VS2和NiS2，过渡金属离子空位（TM-空位）ZrTe2和PdTe2，硫族离子空位（X-空位）MnS2，CrSe2，TiTe2和VSe2等催化剂。基于半监督机器学习方法，建立了1T-TMDs材料的HER催化活性描述符ΔGH*=0.093-(0.195*LEf+0.205*LEs)-0.15*Vtmx(其中0.195*LEf + 0.205*Les为局部电负性，Vtmx为价电子数)。该工作以发表于Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12, 2102 上。
　　相关研究工作得到国家自然科学基金委员会和上海科学技术委员会等项目的资助和支持。
　　附文章链接：
　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-26256-1
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001881
　　https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.0c03839
       文章来源：上海硅酸盐所
        刘建军，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。2002年博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2002年在德国马普所做访问学者，2003年1月赴美国Emory埃莫瑞大学的科学计算中心从事博士后研究工作，2005年后在美国南伊利诺伊大学做助理科学家，2012年开始在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。主要利用材料基因工程理论方法研究无机材料的组成-结构-性能关系，开展材料结构设计与性能优化计算与实验研究。
        叶明新教授1964年4月生于浙江瑞安，复旦大学化学硕士、物理学博士。复旦大学特聘教授，材料科学系教授、博士生导师，享受国务院政府特殊津贴。现任复旦大学专用材料与装备技术研究院院长、复旦大学装备技术科研行政管理部门负责人、复旦大学教育部国防重点实验室主任。
       沈剑锋，1984年1月出生于上海崇明。现为复旦大学专用材料与装备技术研究院教授，博士生导师。2001年入学复旦大学材料科学系，2010年博士毕业后留校。2011年获得上海市优秀博士论文。2014年9月-2015年8月美国Rice大学访问学者。入选上海市教委晨光人才计划、复旦大学卓学人才计划。 主要研究方向：低维材料、功能高分子。以第一/通讯作者发表SCI论文近80多篇，H因子33，论文他引近4000多次。