第一作者：何泽兴，刘小康

通讯作者：邹吉军，黄振峰，彭冲

通讯单位：天津大学，大连理工大学

论文DOI：10.1002/anie.202523933

天津大学邹吉军（长江学者）、黄振峰团队与大连理工大学彭冲教授提出了一种新型双活性位点催化剂设计策略，通过在硫掺杂碳上同时锚定Pt单原子与Pt-Mn双金属原子簇，构建了高效的活性氢（H*）迁移通道，实现了HER反应中H*形成与复合步骤的解耦与协同优化。该催化剂在极低铂载量（3.6 wt%）下，质量活性达到商用40% Pt/C的41倍，并在质子交换膜水电解槽中展现出优异的活性和长时稳定性，为设计低成本、高性能铂基催化剂提供了新思路。

质子交换膜水电解（PEMWE）是绿色制氢的核心技术，但其广泛应用受制于高铂用量和低稳定性。传统铂基催化剂在氢析出反应（HER）中常受限于Sabatier原理，难以同时优化氢原子（H）的形成与复合动力学。单原子催化剂利于H复合但形成能力弱，原子簇则相反。如何协同二者优势，构建高效的氢迁移通道，成为突破性能瓶颈的关键。

思路创新：打破单一位点催化剂的限制，设计“原子簇（负责H形成）+单原子（负责H复合）”的双功能协同体系。

机制突破：引入第二金属（Mn）调控界面电子结构，降低原子簇与单原子间的功函数差，从而构建低能垒的氢迁移通道，实现反应步骤的空间解耦与动力学优化。并通过多种原位手段观测并证实了H*的迁移过程。

性能卓越：PtMn_AC/Pt_SASC催化剂仅含3.6 wt% Pt，在15 mV过电位下质量活性达14.48 A mg^-1，是商业40% Pt/C的41倍。在PEMWE中，其铂载量仅为商业催化剂的1/10，仍能稳定运行160小时以上，性能远超基准催化剂。

普适性强：该策略可拓展至PtFe、PtCo等体系，为理性设计高性能催化剂提供了新思路。

图文解析

图1. 催化剂合成与结构表征。a) PtMn_AC/Pt_SASC制备示意图，b) XRD图谱，c-d) PtMn_AC/Pt_SASC的HAADF-STEM图像及元素分布图，e-f) PtMn_AC/Pt_SASC的球差校正HAADF-STEM图像及局部放大图（蓝圈：PtMn原子团簇；红圈：卫星Pt单原子），g) 从(f)图中提取的沿着橙线和紫线方向的线性分析。

图2. 电子结构表征。a) Pt 4f和b) Mn 2p的高分辨率XPS谱，c) Pt L₃边的归一化XANES谱，d) Mn K边的归一化XANES谱，e) Pt L₃边和f) Mn K边的FT-EXAFS谱，g) Pt_AC/SC和h) PtMn_AC/Pt_SASC的WT-EXAFS谱。

图3. 三电极体系及PEMWE中的HER性能。a) HER极化曲线，b) -15 mV下的质量活性与ECSA归一化活性，c) H/D同位素替换前后HER Tafel斜率比较，d) 60 mV过电位下的计时电流曲线（未进行iR校正），e) 代表性Pt基电催化剂的HER性能比较，f) PEMWE装配示意图，g) PtMn_AC/Pt_SASC的PEMWE极化曲线。h) PEMWE在500 mA cm^-2电流密度和80°C下运行的计时电位曲线。

图4. 通过氢迁移介导的途径促进界面H*形成与化学复合动力学机理。a)多原子尺度位点介导的氢迁移机理示意图，b) 理论计算得到的不同Pt(Mn)_AC和Pt_SA模型）的功函数， c) Pt_AC/Pt_SASC和d) PtMn_AC/Pt_SASC界面的差分电荷密度分布（蓝绿色和黄色区域的变化分别代表电荷积累和消耗），e) 不同催化位点上H*吸附的吉布斯自由能图，f)H*化学重组的自由能图，g) PtMn_AC/Pt_SASC上优化的H*吸附构型。

图5. H*形成、迁移与化学重组的实验证据。a) H*迁移途径示意图， b) C_φ与电位关系图，c) 在-0.01 V（vs. RHE）的log|j|和pH关系图，d) 不同催化剂的阿伦尼乌斯图，e) 氢脱附峰位置与扫描速率关系图，f) H₂-TPD实验。g) H₂-TPD曲线积分面积，h) Pt_AC/Pt_SASC和i) PtMn_AC/Pt_SASC的原位ATR-SEIRAS谱图。

本研究通过催化剂理性设计，成功构建了连接原子簇与单原子的高效氢迁移通道，实现了HER反应步骤的解耦与协同优化，突破了传统单一位点催化剂的Sabatier活性限制。所制备的催化剂在超低铂载量下实现了性能的飞跃，并展现出优异的实际应用潜力。这项工作不仅为开发低成本、高性能的PEMWE阴极催化剂指明了新方向，其“双位点协同与反应物迁移”的设计理念也对其他涉及多步基元反应的催化反应具有重要的借鉴意义。

Zexing He⁺, Xiaokang Liu⁺, Minghui Zhang, Yajun Wang, Zhen-Feng Huang*, Chengxiang Shi, Ruijie Gao, Lun Pan, Chong Peng*, Wanliang Mi, Xiangwen Zhang, Jinlong Gong, and Ji-Jun Zou*. Constructing Hydrogen Migration Channel from Atomic Clusters to Single Atom for Superior Electrocatalytic Hydrogen Evolution with Ultralow Pt Loading. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202523933.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202523933