电解水制氢作为可再生能源体系的核心技术，其工业化应用正面临关键瓶颈: 开发兼具高催化活性、长使用寿命与成本优势的碱性析氢催化剂。原子尺度的金属催化剂，如单原子催化剂，虽因有极高的原子利用率而展现出很高的质量活性，但在高电流密度下易发生结构坍塌而失活，成为制约规模化应用的技术难点。金属-氮-碳（M-N-C）材料因独特的单原子配位结构而在析氢反应中展现出显著潜力，其中 Pt-N-C 体系因氢吸附能接近理论最优值而备受关注。然而，在碱性介质中，该体系面临双重难题：一方面，OH*与H*在Pt1活性位点竞争吸附导致反应动力学迟滞；另一方面，Pt单原子配位结构在催化反应过程中的稳定性相对不足。如何实现Pt-N-C 体系在碱性电解水反应中的催化活性与稳定性的协同提升仍是一个重要挑战。
宁波工程学院新能源学院杜俊毅副研究员，长期致力于原子尺度金属催化剂的开发和结构调控，在能源电催化领域开展了一系列的研究工作（J. Am. Soc. Chem. 2024, 146, 8464; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202501669; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202502227; Energy Environ. Sci. 2024, 17, 6024）。近日，杜俊毅副研究员与太原理工大学王美玲副教授、中科院苏州纳米所康黎星研究员等合作，通过环重构策略精准调控氮物种，优化Pt单原子催化剂的配位环境，成功开发出兼具高活性与长寿命的碱性水电解析氢催化剂，为阴离子交换膜电解水（AEMWE）制氢技术的工业化应用提供了解决方案。
图1理论计算预测与催化剂合成路线
研究人员发现，吡咯氮（N[5]）与吡啶氮（N[6]）对Pt-N4结构的活性和稳定性有重要影响，理论计算表明，当 N[5]/N[6]比例达到 1:1 时，Pt 单原子活性位点的电子结构最优，氢吸附自由能（ΔGH*）显著降低，且能促进 OH*的脱附。据此，他们设计了 “核壳前驱体热解-原位环重构” 合成策略：以 ZIF-8@ZIF-67 为前驱体，在 H2/Ar 气氛中热解，利用原位生成的钴纳米颗粒（Con）催化碳环重构，将吡啶氮转化为吡咯氮，实现 N[5]/N[6]=1:1 的精准调控，并通过配位锚定 Pt 单原子，获得 Con-Pt1@N[5]/[6]C 催化剂。
图2.催化剂的AEMWE性能图
Con-Pt1@N[5]/[6]C在1 M KOH中展现出优异的析氢性能，其过电位（η10=17 mV）、塔菲尔斜率（28 mV dec-1）均显著优于商用Pt/C和对照催化剂Con-Pt1@N[6]C。基于该催化剂的阴离子交换膜电解槽（AEMWE）在70 °C下仅需1.82 V电压即可实现1 A cm-2的工业级电流密度，其质量活性约为商业Pt/C的5倍；同时展现出优异稳定性，在1 A cm-2下持续运行400小时无明显衰减，其综合性能跻身已报道的最优的AEMWE阴极催化剂行列。显著降低的活化能和原位拉曼光谱观察到的加速的水分子结构变化，共同揭示了该催化剂具有更低的水解离能垒和更快的反应动力学。进一步的机理研究表明，N[5]/N[6]等比例配位的Pt1不仅优化H*吸附/脱附行为，同时可促进Co表面OH*脱附，显著降低碱性条件下水分解的能垒。该工作为碱性电解水析氢催化剂的原子尺度结构设计提供了新思路。
该研究成果以“Precision N-species engineering in Pt–N4 via ring reconstruction towards efficient alkaline water electrolysis”为题发表在能源环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science （影响因子>30）上，刘振宇（太原理工大学硕士生）和我校杜俊毅副研究员为论文共同第一作者，王美玲副教授（太原理工大学）、王添博士（华盛顿大学）、康黎星研究员（中科院苏州纳米所）为共同通讯作者，宁波工程学院新能源学院为论文第二单位。
论文链接：http://doi.org/10.1039/D5EE01449B
