羟基物种在过渡金属表面碱性析氢反应中的作用

段睿智; 王小梅; 周潘旺; 刘扬; 李灿

物理化学学报 ›› 2025, Vol. 41 ›› Issue (09) : 177 -185.

段睿智, 王小梅, 周潘旺, 刘扬, 李灿

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摘要

理解过渡金属催化剂上碱性析氢反应(HER)的活性决定因素对于利用可再生能源进行水电解至关重要。然而，这一问题仍然存在重大挑战。尽管已有研究提出羟基吸附会影响碱性HER性能，但其具体的作用机制和定量关系仍不明确。在此，我们利用密度泛函理论(DFT)计算系统地研究了十种过渡金属表面上的碱性HER过程，揭示了羟基吸附在路径选择和调控反应能垒中的关键作用。然而，仅凭羟基吸附能无法完全解释某些催化剂(尤其是Pt)的异常活性。为了解决这一问题，我们引入了一个多参数耦合描述符(ECS)，该描述符整合了电子占据情况(E)、羟基吸附构型(C)和催化剂表面晶体学特征(S)，从而实现对碱性氢析出催化活性的定性评估。该描述符成功解释了过渡金属催化剂表面的活性趋势，并与包括单原子合金(SAA)催化剂在内的超过10种实验数据对比中表现出良好的关联性，表明其普适性和应用于更广泛的催化体系的潜力。我们的研究突破传统单参数描述符的局限性，构建了一种基于羟基关键物种的碱性氢析出反应活性描述符，并为推动高性能碱性HER催化剂的开发提供了基础框架。