摘要：阴离子交换膜(AEM)技术的不断发展确保了在碱性介质中电解水产氢的可行性。然而，实现良好的碱性析氢反应(HER)需要克服几个基本瓶颈，其中之一是碱性HER动力学比酸性环境低2-3个数量级，因为它涉及到额外的水分解步骤，以确保活性位点附近有效的质子供应。碱性HE

阴离子交换膜(AEM)技术的不断发展确保了在碱性介质中电解水产氢的可行性。然而，实现良好的碱性析氢反应(HER)需要克服几个基本瓶颈，其中之一是碱性HER动力学比酸性环境低2-3个数量级，因为它涉及到额外的水分解步骤，以确保活性位点附近有效的质子供应。碱性HER的双功能机理涉及多活性组分同时解离水分子和优化中间吸附，已被广泛用于催化剂的设计，以促进水电解来实现可持续氢能生产。但是，基于此理论开发的系统过于复杂，例如每种组分的未知和不可控的大小、价态和相，以至于无法通过实验或理论计算来确定水活化过程。 基于已建立的Dewar-Chatt-Duncanson成键模型，金属中心在H2O作用下经历较强的σ捐献而弱的π反馈，认为它们是Lewis酸位点，因而难以激活H2O。相反，Lewis碱位点可以破坏H2O分子的O-H键。 考虑到单原子催化剂(SACs)具有明确的活性位点和100%原子效率，新加坡国立大学陈伟、陈翔和北京交通大学余宇等提出原子Lewis酸碱对的概念来阐明碱性HER的双功能机制。由碱性金属中心和酸性配位原子组成的Lewis对通过简单地调节SAC的配位环境而引起协同效应，这可以促进电子运输到反应体系中所需的位置以激活惰性H2O分子并加速中间解吸。更重要的是，它提供了一个理想的模型，以探讨碱性HER双功能组分的确切作用。 在这个概念验证研究中，研究人员在具有酸碱性质的SAC中构建了一系列Lewis对(M-P/S/Cr对，M=Ru，Ir，Pt)，用来平衡H2O解离和中间解吸之间的平衡关系，以及在单原子尺度上研究双功能机制。 结果表明，Ru-P Lewis对具有优秀的HER性能，达到10 mA cm-2电流密度所需的过电位仅为16 mV，Tafel斜率为39.4 mV dec-1。同时，可以通过精确调制Lewis对的局部化学环境，从根本上将速率控制步骤(RDS)从Volmer步骤转换到Heyrovsky步骤。理论计算表明，催化剂的高HER活性主要来源于Lewis碱金属中心(Ru、Ir和Pt)和Lewis酸配位原子(P、S和Cr)之间的协同效应，清楚地阐述了双功能机制。 此外，基于Ru-P Lewis对的AEMWE在电流密度高达2 A cm-2时表现出266小时的耐久性，证明了双功能组分对强化碱性HER起到重要作用。综上，该项工作不仅强调了双功能组分在碱性HER中的关键作用，而且为设计高级催化剂以提高水电解及其它催化应用的活性提供了理论依据。

Identifying the bifunctional mechanism in alkaline water electrolysis by lewis pairs at the single-atom scale. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.4c18040

来源：朱老师讲VASP