本网讯（化学化工学院）近日，我校化学化工学院徐坤教授课题组锚定金属氢电催化材料领域，围绕金属电催化材料的表界面调制、电子态精准调控及催化构效关系等基础科学问题，展开系统性研究，先后在化学与材料学科权威期刊发表5篇SCI论文。
在全球能源转型与“双碳” 目标的战略背景下，氢能凭借清洁、高效的特性，成为推动可持续发展的核心能源之一。而电催化电极材料作为氢能制备、存储及高性能氢燃料电池应用的关键技术载体，其性能的提升对突破氢能规模化应用瓶颈至关重要。深入探究这类材料的性能调控机制与构效关系，不仅是化学与材料科学领域的前沿课题，更是我国抢占氢能源国际竞争制高点、实现绿色低碳发展的关键路径。
表界面作为催化反应的“主战场”，金属纳米材料的表界面微结构与电子态，如同控制催化性能的 “分子开关”，直接决定材料的物化性质与催化活性。然而，如何实现对材料表界面优势微结构(电子结构)的精准调制，始终是制约金属电催化剂性能跃升的关键科学难题。聚焦这一挑战，徐坤教授课题组展开系统性研究，提出系列解决方案，取得的主要研究成果如下：
1. 揭示金属负载型电催化材料金属催化基元与载体功函数差异诱导界面电子重新分布增强催化反应活性机制。现阶段对于金属负载型催化材料载体与催化活性基元在界面处如何相互作用进而影响催化基元表面电子态仍缺乏足够的认知。徐坤教授课题组联合香港理工大学Shu Ping Lau教授课题组、新加坡南洋理工大学范红金教授课题组，以系列 0D/2D Pt/CoOx催化材料为模型，通过电子顺磁共振波谱仪(EPR)、紫外光电子能谱(UPS)与开尔文探针力显微镜技术(KPFM) 等多种局域表征技术联用，结合密度泛函理论，揭示了金属催化基元与载体间的功函数差异是诱导界面电荷转移及内建电场形成的决定性因素。与此同时，界面电荷转移引发的催化基元表面电子重新分布，与电催化反应关键中间体的吸附强度紧密相关，对提升电催化反应活性至关重要(图1. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116057)。上述工作揭示了金属负载型催化材料催化功能基元表面电子重新分布的本质与本征电化学活性的关联机制，为基于界面电荷转移机制调控的高性能分级介观金属电催化材料的设计提供了理论指导。
图1. 金属负载型催化材料载体与催化基元功函数差异诱导界面电荷转移增强催化反应活性机制研究。
2. 提出电子接力转移策略调控金属催化基元表面电子态，获得高效的氨氧化制氢电催化材料。针对传统双金属异质界面电荷转移不足，进而难以有效调控材料表面电子态的科学问题，在理解功函数差异是诱导界面电荷转移及内建电场形成的决定性因素的理论指导下，徐坤教授课题组与济南大学孙一强教授课题组合作提出电子接力转移策略调控金属催化基元的表面电子态(图2. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202505616)。以Ru@Ir@Pt三层核-壳纳米颗粒为结构模型，基于内层Ru、中间层Ir、外层Pt形成的梯度功函数差，驱动电子从低功函数金属向高功函数金属定向接力转移，精准调控最外层Pt表面形成富电子活性位点。这一电子结构调控机制显著削弱了氨氧化反应过程中N*等中间体的吸附强度，有效缓解了催化剂的中毒效应。实验结果表明，该三层核-壳结构的催化剂氨氧化质量活性密度达商业Pt/C 催化剂的5.24倍，在组装的可充电锌-氨电池中实现了高达 95.7% 的产氢法拉第效率，为金属基元的表面电子结构调控提供了新的思路。
图2. 电子接力转移策略调控金属催化基元表面电子态。
3. 发展基于载体晶相工程精细调控金属氢电催化材料催化基元表面电子态的新方法，获得系列高电化学活性金属氢电催化材料。进一步，徐坤教授课题组联合安徽大学林云祥博士、海南大学文伟教授、济南大学孙一强教授等课题组将界面电荷转移增强催化反应活性机制用于指导设计系列高活性铂族氢氧化电催化材料体系，发展了载体晶相工程精细调控金属氢电催化材料催化基元表面电子态的新方法(图3. Adv. Energy. Mater. 2025, 2406114; Adv. Funct. Mater. 2025, 2420633; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2407060)。Ru、Ir等贵金属的单原子和团簇具有丰富的反应活性位点，将其复合至具有不同晶相结构的W (a-W，β-W)、WxC (WC，W2C)、MoxC (a- MoC1-x，β- Mo2C)等金属或金属间化合物载体上，借助载体的晶相工程策略，能够精细调控异质界面的电荷转移，进而优化贵金属的表面电子态，使其氢电催化活性最高可提升至商业Pt/C 催化剂的12.5倍。与此同时，抗氧化能力相对较强的Mo、W基金属或金属间化合物载体，可确保电子传输效率和结构相的稳定，从而获得系列高活性分级介观氢电催化材料，为氢能源器件的发展提供材料基础。
图3. 载体晶相工程策略精细调控金属氢电催化材料催化基元表面电子态。