由于在碱性电解质中使用经济型催化剂的优势，在氢能利用方面，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）具有极大的吸引力。然而，即使采用目前最先进的Pt催化剂，在碱性电解液中的阳极氢氧化反应（HOR）动力学也比在酸性体系中低两个数量级。因此，迫切需要开发碱性电解液中高效的HOR电催化剂。
近日，华中科技大学王得丽教授，赵旭副教授报道了在阐明碱性条件下HOR机理的基础上，总结了金属基电催化剂的原子配位构型、原子堆积行为和原子排列对碱性HOR电催化过程的影响。随后，提出了可用的合成方法以实现用于高效催化HOR的金属基电催化剂的原子级制备。
文章要点
1）作者首先概述了单原子催化剂和纳米催化剂的原子配位结构在HOR中的作用。在电催化过程中，研究人员已证明催化剂活性位点的配位构型对其催化活性具有重大影响。特别地，与配位饱和位点相比，不饱和活性位点在热催化过程中具有更高的热力学亚稳态，并且对反应中间体具有更强的吸附能，从而导致活性和选择性的调节。
2）在适当的原子沉积/扩散速率下，沿受限方向的原子堆积可以导致不同的晶体表面暴露。由于反应中间体在结构精准表面上的独特吸附，金属基电催化剂暴露面可能会对其催化性能产生关键影响。因此，通过定制刻面可以有效地调节特定反应中间体的结合能，进而影响电催化活性和选择性。作者总结了原子在低指数和高指数面上的堆积行为对HOR的影响。
3）对于具有多组分的金属基催化剂，无序合金和金属间化合物是两种具有不同原子排列的代表性结构。催化剂表面的原子排列不仅决定了活性位的数量，而且还影响了反应中间体的吸附和解吸能。因此，研究催化剂的原子排列在催化过程中的作用具有重要意义。作者总结了无序合金和金属间化合物的结构和电子性质以及相应的催化性能。
4）碱性电解液中金属基电催化剂的HOR活性可能受到催化剂原子结构的显著影响。因此，金属基纳米材料的原子配位、堆积或排列的可控合成策略对于获得高效的HOR催化剂至关重要。作者总结了可精确构建催化剂的潜在合成策略：i）调节催化剂活性位点的配位构型； ii）制造暴露在催化剂上的适当刻面； iii）操纵催化剂中多组分的原子排列。
5）作者最后指出，尽管在制备HOR电催化剂方面取得了一定进展，但仍然存在一些挑战，包括：i）为了工业应用，迫切需要开发成本低且稳定性高的HOR电催化剂；ii）在电催化条件下，还需要开发其他光谱方法来分析催化剂上的HBE；iii）反应界面附近的水结构与H2反应活化势垒高度相关，然而目前仍缺乏用于检测界面水对HOR动力学影响的有效表征技术。
参考文献
Lulu An, et al, Atomic-level insight into reasonable design of metal-based catalysts for hydrogen oxidation in alkaline electrolytes, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D0EE03609A
https://doi.org/10.1039/D0EE03609A
