生物启发硫氧桥优化界面水结构实现高效氢氧化与氢演化反应

本文推荐研究针对电极-溶液界面水结构调控难题（该结构决定质子传递效率，影响氢能转换技术），研究人员开发了生物启发的硫氧桥钴-钌原子对（Cos-SO-Ru）催化剂，通过强化氢键网络排斥界面阳离子并优化钌位点亲氧性，显著提升氢氧化反应（HOR）和氢演化反应（HER）性能（HOR交换电流密度达3.51 mA cm?2，HER过电位仅6 mV），为设计高效非铂电催化剂及清洁能源应用提供新策略。

　　

在追求可持续氢能经济的道路上，氢氧化反应（HOR）和氢演化反应（HER）作为燃料电池和水电解的核心过程，面临严峻挑战。传统钌（Ru）基催化剂虽具潜力，却因高亲氧性导致羟基（OH^*）强吸附阻塞活性位点，且在碱性界面中，水分子氢键网络（hydrogen-bond network）的断裂及阳离子（如K⁺、Ca²⁺）积聚进一步阻碍质子传输，大幅降低反应动力学。自然界中，[NiFe]和[FeFe]氢化酶的金属蛋白结构通过水网络高效调控质子传递，但人工体系难以复现这一精妙设计。如何精确操控电极-溶液界面的动态水构型，成为突破氢电催化瓶颈的关键。

针对这一难题，山东大学的研究人员受生物酶启发，设计并合成了一种新型催化剂——硫氧桥连的钴-钌原子对（Co_s-SO-Ru）。该催化剂通过亲水性硫氧键（-S=O）构建强氢键网络，优化界面水结构，同时调节钌位点电子态以降低亲氧性。实验表明，Co_s-SO-Ru在碱性条件下实现HOR质量活性3.44 A mg_metal^?1和HER过电位6 mV（10 mA cm^?2），性能远超商用铂/碳（Pt/C）和钌/碳（Ru/C），并展现出优异的海水电解稳定性。相关成果发表于《Nature Communications》，为氢能技术及二氧化碳还原等催化过程提供了新思路。

研究人员采用溶剂热法合成钴-有机前体（含CoSO₄和4,4'-联吡啶），通过热解在功能化碳黑上锚定钌纳米簇，形成硫氧桥连的钴单原子修饰钌簇（Co_s-SO-Ru）。对照样品Co<>ub>s</