界面电子转移触发可逆氢溢流效应助力高效析氢反应

针对Pt基催化剂在析氢反应(HER)中存在的成本高、稳定性差等问题，研究人员设计开发了晶格匹配的PtCoNiCuZn/WCxN1-x异质结构电极。通过界面电子转移触发可逆氢溢流效应，实现了4.63 A mgPt-1的质量活性（较商业Pt/C提升22倍）和300小时以上的优异稳定性，为可持续制氢提供了新型自支撑电极设计策略。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其高效制备技术一直是能源领域的重点研究方向。在众多制氢技术中，电催化水分解制氢因其环境友好性备受关注，但其中析氢反应(HER)的动力学过程缓慢，需要高效催化剂来促进反应进行。铂(Pt)基材料虽是目前最有效的HER催化剂，但其高昂成本和有限储量制约了大规模应用。传统解决方案如合金化3d过渡金属(Co/Ni/Fe)和纳米结构设计，往往面临稳定性与活性难以兼顾的困境——超小合金颗粒易团聚，而常规氧化物/硫化物载体导电性欠佳。更关键的是，现有研究多聚焦静态电子效应，忽视了界面电荷转移与氢吸附/脱附动力学的动态关联，这成为制约催化剂性能突破的重要瓶颈。

北京工业大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果，通过构建晶格匹配的PtCoNiCuZn/WC_xN_1-x(WCN)异质结构，首次揭示了界面电子转移触发可逆氢溢流的增强机制。研究采用同步辐射X射线吸收光谱(XAS)分析电子结构，高分辨透射电镜(HRTEM)表征界面特征，结合电化学测试和密度泛函理论(DFT)计算，系统阐明了异质结内置电场对氢迁移动力学的调控作用。

材料设计与表征
通过精确控制合成条件，成功制备出具有共格/半共格界面的异质结构。HAADF-STEM图像显示PtCoNiCuZn合金与WCN载体形成原子级匹配界面，XPS和Bader电荷分析证实界面电子转移导致Pt位点呈现缺电子态，d带中心下移0.35 eV，优化了氢吸附自由能(ΔG_*H)。

电化学性能
在0.5 M H₂SO₄电解液中，该电极仅需16 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，质量活性达4.63 A mg_Pt^-1，是商业Pt/C的22倍。计时电位测试显示300小时后性能衰减不足5%，归因于强金属-载体相互作用(SMSI)的稳定效应。

机制研究
DFT计算揭示异质结界面存在0.82 eV/?的内置电场，驱动*H从WCN载体向合金迁移。这种可逆溢流过程既避免了载体表面氢积聚，又促进金属位点的氢脱附，使决速步能垒降低0.28 eV，显著加速HER动力学。同位素标记实验进一步验证了氢物种的跨界面迁移路径。

该研究开创性地建立了"界面电子转移-内置电场-可逆氢溢流-HER动力学"的构效关系模型，突破了传统催化剂设计中对静态电子效应的局限认知。所开发的晶格匹配异质结构策略不仅实现了活性与稳定性的协同提升，更为设计新一代能源转换材料提供了理论指导。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，相关技术已申请发明专利，具有重要的产业化应用前景。