Journal of the American Chemical Society《美国化学会志》简称JACS，是一本百年老牌期刊，化学顶级期刊。创刊于1879年，是美国化学会的旗舰期刊，也是世界上所有化学和科学交叉领域的世界杰出期刊。数年来，《JACS》 始终是全球化学领域最具影响力的学术期刊，是化学最权威的期刊之一。

为缓解日益紧张的能源需求和环境污染等问题，发展新型可再生能源势在必行。氢能作为一种新型可再生的能源载体，对优化能源结构具有重要的意义。电化学析氢反应（HER）是水分解过程关键的一个半反应，其将电能转化为化学能，是产生高质量氢气能源的有效策略。相较于酸性电解液，其在碱性电解液中具有更温和的反应条件以及更高的能量转换效率，因此，碱性电解液中进行HER反应被认为是一种更为成熟和可行的途径。然而，碱性介质中，HER反应需要额外的能垒去突破酸性电解液中所不存在的初始水解离步骤，这使得催化剂在碱性电解液中的HER反应动力学远低于酸性电解液中，即使是公认为HER反应活性最高的贵金属基电催化剂，其在碱性条件下依旧具有较差的水解离能力以及较大的Volmer反应能垒，进而限制了其HER活性。由此可见，设计碱性条件下具有高催化活性以及高稳定性的电催化材料对推进实际应用以及促进清洁能源的发展具有重要意义。

近日，澳门威威尼斯5485熊英教授、合作单位吉林大学杨英威教授在碱性电解水制氢方面取得了新的进展，其相关成果以标题为“IrMo Nanocluster-Doped Porous Carbon Electrocatalysts Derived from Cucurbit[6]uril Boost Efficient Alkaline Hydrogen Evolution”发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上（DOI: 10.1021/jacs.3c03489）。文章第一作者为澳门威威尼斯5485博士生肖欣。

  该研究使用葫芦[6]脲所衍生的N掺杂的介孔碳材料作为导电基体（CBC），通过杂原子掺杂策略，将与水分子具有较高亲和能力的Mo原子掺杂到贵金属Ir中，设计并成功制备了一系列IrMo纳米团簇装载的N掺杂的介孔碳基电催化剂（IrMo-CBC）。葫芦[6]脲所衍生的碳基体中丰富的N含量及其独特的平面孔结构使IrMo纳米团簇稳定生长在其表面的同时也暴露并产生了更多的催化表面和活性位点，有利于HER反应过程中H₂的释放。此外，Mo原子的掺杂也促进了水分子在催化剂IrMo-CBC表面的吸附，这对改变碱性HER反应动力学起着重要的作用。

通过优化Mo原子的加入量，得到的最佳催化材料IrMo-CBC-4.2展现出超高的电催化活性，在1.0 M KOH的电解液中，电流密度为10 mA cm^-2条件下其过电位仅为12 mV，Tafel斜率低至28.06 mV dec^-1，法拉第效率高达98%，且在50 mV过电位下具有11.6 H₂ s^-1的TOF值，其催化活性远优于对照材料Ir-CBC，商业Pt/C甚至是绝大多数Ir基电催化剂。值得注意的是，IrMo-CBC-4.2同样具有超高的催化稳定性，即使经历连续100个小时的HER测试，其依旧表现出优异的催化活性，表明该材料具有一定的实际应用价值。

DFT理论计算表明在贵金属Ir中掺杂Mo原子所形成的IrMo双金属纳米团簇使得H₂O分子快速且自发地吸附在材料表面的Mo位点上，降低了材料对H₂O分子吸附过程的自由能，并且材料表面稳定吸附的H₂O分子也有效地降低了后续水解离过程中热力学能垒，实现热力学有利的水解离过程。分波态密度（PDOS）分析也进一步表明了Mo原子的引入使得材料的d带中心向上移动到更高的能量，更接近费米能级的位置，加强了其对H₂O分子的吸附。此外，材料中丰富的N杂原子也可以进一步增强IrMo纳米团簇的电荷密度，平衡氢的吸附/解吸行为，使HER反应过程更容易进行。

该项工作为开发和设计碱性体系中高效且稳定的贵金属基催化剂提供了理论指导，也为实现贵金属基催化剂水分解制氢的实际工业应用提供了希望。

【论文信息】

IrMo Nanocluster-Doped Porous Carbon Electrocatalysts Derived from Cucurbit[6]uril Boost Efficient Alkaline Hydrogen Evolution

Xin Xiao, Zheng Li, Ying Xiong,* and Ying-Wei Yang*

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c03489

【作者简介】

熊英，教授，博士生导师，辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，辽宁省教学名师，辽宁省高等学校科技优秀人才，沈阳市“领军人才”兼任生物基功能大分子材料与技术专业委员会副主任委员，全国材料新技术发展研究会常务理事，中国有色金属学会冶金反应工程学专业委员会委员，中国有色金属学会有色冶金资源综合利用专业委员会委员，辽宁省侨联新侨创新创业联盟专家，沈阳市归国华侨联合会特聘专家委员会委员，辽宁省化学类专业教学指导委员会委员等。一直从事稀散、稀土元素分离与功能材料的研究工作，在Adv. Funct. Mater.，J. Mater. Chem. A，J. Hazard. Mater.，Bioresource Technol.，Chem. Eng. J.等在本领域有较强影响力的国际期刊上发表论文90余篇。主持国家自然科学基金3项，及其他省部级项目12项。荣获“第十一届辽宁青年科技奖”，辽宁省自然科学奖二等奖1项，辽宁省科学技术发明奖二等奖1项，辽宁省科技进步三等奖1项，其他政府科技奖3项，辽宁省自然科学学术成果奖10项，省级成果转化项目2项。授权国家发明专利20余项。出版学术专著《稀散金属溶剂萃取分离化学》等3部。主要研究领域为生物质基吸附材料的制备及在稀散、稀土提取中的应用；硅基、碳基吸附材料制备及在环境、湿法冶金方面的应用；稀散金属分离机制及功能材料制备；新能源材料制备等。