面向高效酸性电解水的双面单原子桥界面工程：超越牺牲性耐腐蚀策略

本文报道了一种新型双面单原子桥（DS-SAB）电催化剂，通过构建Janus氮掺杂碳基质隔离铁单原子（DS-FeSACs-C@NC），实现了酸性条件下高效稳定的双功能水电解。该设计通过Fe-Nx/C侧调控OH?吸附优化析氧反应（OER），Fe–C侧促进H*中间体脱附加速析氢反应（HER），其垂直排列石墨烯边缘的界面层兼具阴离子排斥与质子传导功能。该催化剂在0.1 M H2SO4中达到76 mV（HER）和253 mV（OER）的创纪录低过电位，并稳定运行200小时，为复杂电解质中抗腐蚀催化剂设计提供了新范式。

　　

Highlight

双面单原子桥结构通过界面工程实现高效酸性水电解，突破传统催化剂的腐蚀限制与反应动力学壁垒。

Introduction

传统化石燃料消耗加剧及环境问题推动了可再生能源发展[[1], [2], [3], [4]]。氢能因其高能量密度和零排放特性成为理想替代燃料[[5], [6], [7]]。尽管海水资源丰富，但酸性电解技术对实现高电流密度和评估催化剂可行性仍不可或缺[10]。然而，电极反应动力学缓慢导致高过电位和低转换效率[[11], [12], [13], [14]]。钌基（RuO₂）、铱基（IrO₂）和铂碳（Pt/C）等顶级催化剂存在稳定性差、成本高和资源稀缺问题[[15], [16], [17]]。近年来单原子催化剂（SACs）通过最大化原子利用率和精确电子结构调控展现出潜力[18,19]。例如Fe-N-C SACs提升氧还原反应活性[20]，石墨烯边缘负载的镍单原子通过界面电荷重分布增强HER耐久性[[21], [22], [23]]。但传统SACs存在单向功能性、腐蚀脆弱性及界面离子传输权衡等局限。例如多数SACs仅优化HER或OER单向功能[24,25]；单原子位点缺乏保护界面易受氯离子侵蚀和金属溶出[26,27]；富缺陷碳载体阻碍OH^?/H⁺扩散[28,29,30]。为解决这些问题，需从多原子位点设计、界面工程、缺陷调控、杂原子配位优化及导电载体等方面突破传统SACs限制。

本研究提出双面单原子桥（DS-SAB）结构，将空间隔离的铁单原子锚定在碳球核与氮掺杂碳壳夹层之间。其设计核心在于解耦活性位点：Fe-N_x/C作为OER中心，Fe–C作为HER中心，避免反应间相互干扰。通过界面工程构建垂直排列石墨烯夹层，其Fe–N基团可静电排斥OH^?同时促进H⁺传输。此外，C-Fe-N原子间的双向电荷转移实现电子离域，优化HER和OER中间体的吸附能垒。所得催化剂在酸性条件下达到253 mV（OER）和76 mV（HER）的低过电位（10 mA cm^?2），展现出卓越的双功能活性，为原子级催化剂设计提供新思路。

Conclusion

我们通过简便的水热合成与退火策略开发出双面单原子桥催化剂（DS-FeSAB-C@C₃N₄），在酸性介质中实现优异的氢氧析出双功能活性。该催化剂由纳米碳核与氮掺杂碳壳通过界面铁单原子桥联构成，独特结构促进核壳间电子快速传输，并最大化双面活性位点暴露。