碱性阴离子交换膜电解水制氢（AEMWE）兼具传统碱性水电解的成本优势与质子交换膜水电解的高效率优点，被认为是可持续制氢的重要技术路线之一。锇（Os）作为相对研究较少的铂族金属，市场价格显著低于Pt和Ru，同时具有相似的d带结构与潜在催化活性，被视为替代Pt/Ru的有力候选。然而，在AEMWE苛刻工况下，Os催化剂往往受到界面水解离动力学迟缓、与反应中间体键合强度不匹配以及金属组分易迁移团聚等因素制约，性能提升面临瓶颈。
针对上述难题，西安交通大学化学学院丁书江教授团队携手北京大学郭少军教授团队提出“纳米岛限域”策略，设计并构建了一类新型Os原子簇催化剂（NbOₓ-Os@FDC）。该研究巧妙利用锚定于富勒烯衍生碳（FDC）上的NbOₓ纳米岛，实现Os原子簇的空间限域与稳定化，并同步增强界面水解离能力，从而在阴离子交换膜水电解中实现高效的碱性HER反应。研究发现，NbOₓ纳米岛构建的结构限域环境，诱导了强烈的金属-载体界面相互作用，有效稳定了Os原子簇并防止其团聚，提升了器件运行稳定性。亲氧性NbOₓ区域能够优化界面水分子排布，在反应界面富集“自由”氢键水，并强化羟基物种的吸附，从而加速水解离过程，为反应持续供给质子。此外，富含拓扑缺陷的FDC载体充当了“电子库”， 调控Os原子簇至缺电子态，进而削弱Os-H键合强度并促进H2的快速释放。基于上述设计，所制备的NbOx-Os@FDC催化剂在超低Os负载量下，AEMWE器件在1.74 V电压下即可实现1 A cm⁻²的工业级电流密度，并展现出优异耐久性。更重要的是，该器件在1.70 V下获得了509.8 A $⁻¹的价格归一化活性，相比商业Pt/C提升59倍，凸显了其在低成本绿色制氢中的显著经济竞争力。该研究为高效、稳定的非铂HER催化剂设计提供了新思路，有望推动低成本绿氢技术的规模化应用。
该研究成果以《亲氧性NbOx纳米岛限域的Os原子簇应用于高效碱性水电解制氢器件》（Oxophilic NbOx Nanoisland-Confined Os Atomic Clusters for Practical Alkaline Water Electrolysis）为题发表于国际化学领域顶级期刊《美国化学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）。西安交通大学化学学院为第一署名单位。西安交通大学化学学院助理教授李迪、硕士生杨梦洋、博士生李领和孙鑫鹏为共同第一作者，曾令有研究员、肖春辉教授、陈圣华教授及北京大学郭少军教授为共同通讯作者。参与本工作的还有西安交通大学丁书江、郗凯、冯国栋教授、马利静工程师以及北京大学吕帆教授等。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国博士后基金等项目的资助，并获得了西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台和西安交通大学分析测试中心在测试表征方面的支持。
论文链接地址：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c21251
丁书江教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dingsj
