研究背景
氫析出反應（HER）是水電解過程中的重要反應，廣泛應用于氫能生產、電解水制氫等領域。與傳統的催化劑材料相比，鉑（Pt）材料因其優異的催化性能和氫吸附能接近最優而被公認為最優的單組分 HER 催化劑。
然而，Pt 作為催化劑在堿性介質中的應用仍然面臨著氫的過度吸附問題，導致 HER 活性下降。此外，盡管鉑具有優異的催化活性，其高成本和稀缺性使得開發替代材料成為亟待解決的挑戰。
為了解決這一問題，北京大學徐冰君教授（Science Advances 副主編）、清華大學肖海副教授合作在“Nature Energy”期刊上發表了題為“A molecular design strategy to enhance hydrogen evolution on platinum electrocatalysts”的最新論文。該團隊提出了一種基于有機覆蓋層的分子設計策略，通過在鉑電極上引入有機吸附層，顯著提高了在堿性介質中 HER 活性。研究表明，吸附分子的結合能與其對 Pt 表面的吸附強度密切相關，改變有機吸附分子的芳環數量和親水性能夠有效調控結合能，從而優化 HER 反應的催化性能。
利用密度泛函理論（DFT）計算，該團隊發現有機覆蓋層能夠降低 Pt 表面的 d 帶中心，減少氫的過度吸附，從而緩解了氫的強吸附問題。實驗結果表明，2,2′-聯嘧啶覆蓋層在 Pt/C 催化劑上的引入，使其在水電解槽中表現出顯著的催化增強效應，HER 活性提高了約50倍，并成功驗證了其在膜電極組件（MEA）結構中的效果。這一成果為提升HER 活性提供了新的思路，也為催化劑的分子設計和實際應用提供了有力的理論支持。
研究亮點
（1）實驗首次提出了一種分子設計策略，通過在鉑（Pt）電極表面引入有機覆蓋層，成功提升了堿性介質中氫析出反應（HER）活性最多達50倍。
（2）實驗通過調節有機吸附劑的芳環數量和親水性，發現吸附劑的結合能與HER 活性顯著相關。通過調控這些參數，能夠有效優化吸附能，從而增強HER反應速率。
（3）密度泛函理論（DFT）計算表明，有機覆蓋層的引入導致Pt表面d帶中心的下降，從而弱化了氫的吸附強度，緩解了氫在Pt表面的過度吸附問題，促進了 HER活性的提高。
（4）實驗還在采用膜電極組件（MEA）結構的水電解器中，驗證了2,2′-聯嘧啶覆蓋層在Pt/C催化劑上的顯著促進作用，證明了該策略在實際器件層面的有效性和可行性。
圖文解讀
圖 1. 2,2′-聯嘧啶修飾的 Pt(111) 上的CV和HER活性
圖 2. 2,2′-聯嘧啶對 CO 和 H 吸附的影響
圖 3. 芳香環數量對 HER 活性的影響
圖 4. 原位 SEIRA 光譜研究
圖 5. N 原子的位置和密度對 HER 活性的影響
圖 6. 吸附物的親水性對 HER 活性的影響
圖 7. 階梯式單晶電極的增強效應
圖 8. 分子吸附物對器件性能的影響
結論展望
本文的研究為氫析出反應（HER）催化劑的設計提供了新的思路，尤其是在鉑（Pt）和銥（Ir）等貴金屬表面引入有機覆蓋層以優化其電催化性能。通過分子設計策略，研究表明吸附分子的吸附強度與 HER 活性密切相關，特別是有機分子在表面的強吸附作用能有效調節氫的吸附能，從而緩解其過度吸附，提升反應效率。
這一發現不僅揭示了分子功能化對電極表面性質的影響，也為其他催化體系提供了借鑒。值得注意的是，DFT 計算結果表明，調控 Pt 表面 d 帶中心的變化能夠顯著改善氫的吸附特性，這為進一步優化貴金屬催化劑提供了理論依據。此外，本研究的有機覆蓋層策略不僅在單晶表面表現出良好效果，還成功應用于多晶表面和負載型納米顆粒上，證明了其廣泛的適用性。通過在水電解器中驗證其實際效果，本研究為未來電催化材料的設計和水電解氫氣生產提供了新的策略和方向。
原文詳情：
Zhao, K., Xiang, N., Wang, YQ. et al. A molecular design strategy to enhance hydrogen evolution on platinum electrocatalysts. Nat Energy (2025).
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01754-4
