何勇民等人Nature子刊：三角有序 Co 原子实现安培级析氢

研 究 背 景

碱性阴离子交换膜（AEM）水电解以非贵金属催化剂为核心，在实现大规模、低成本绿氢制备方面具有重要潜力。然而，与常见的三电极实验条件（10–100 mA cm-2、电解液静止、室温）相比，实际 AEM 电解槽通常在 ≥0.5–1 A cm-2、电压 1.7–2.5 V、50–80 ℃、持续运行数百小时，对催化剂的结构稳定性与界面工程提出严苛要求。

近年快速发展的 单原子/原子分散催化剂 虽然在半电池测试中表现出优异的本征活性，但由于金属–载体作用有限，普遍存在 在强还原、高电流与强气体冲刷环境下易迁移、聚集甚至流失 的问题，导致在全电解槽中难以兼顾高活性与长寿命。

因此，如何在 原子尺度 上同时提升催化剂的 耐久性与活性，并在真正的 AEM 电解槽工况中得到验证，是目前高性能析氢电催化剂面临的关键挑战。

文 章 简 介

在本工作中，作者团队提出了一种 “原子有序（atom ordering）” 的新策略：在 VN 晶格内部构筑 三角有序钴原子（O-Co₃），并利用其对邻近 V 位点的电子调控，实现对 VN 基底的 “邻位激活”，从而将原本惰性的载体转变为协同参与反应的高活性界面。

理论计算表明，三角有序 Co₃ 在 VN 晶格中的迁移能垒显著高于传统表面单原子与团簇结构，具有更优的 抗迁移与抗流失能力。通过光诱导自组装方法，作者在具有深层 V 空位的 VN 薄层上成功构筑了高密度 Co 三角有序结构，并借助原子分辨 HAADF-STEM、STEM-EELS、XAS 等表征进行证实。

电化学与全电解槽测试显示，O-Co/VN 在碱性介质中展现出优于商业 Pt/C 的高电流密度析氢性能，并能够在 1 A cm-2工业电流密度下长期稳定运行。组装成 AEM 水电解槽后，体系在 0.5 A cm-2时仅需 1.97 V 的电池电压，稳定运行超过 600 h。

借助团队自建的 芯片化 TIRF 单分子成像平台，作者进一步在纳米尺度上直观观察到 O-Co/VN 表面密集均匀的活性位点分布，证实了“Co 三角有序激活 VN 基底，实现面催化”的工作机制。该研究为在真实工业工况下设计兼具高活性、高稳定性的电催化剂提供了新的思路。

图1.“邻位激活”与表面“面催化”的直接证据

本 文 要 点

要点一：Co 三角有序结构的原子尺度稳定性设计

通过 DFT 计算比较多种 Co/VN 构型，发现：

• 晶格内 Co 三角有序结构（O-Co3）的迁移能垒最高，可有效抑制 Co 原子迁移与溶出；

• 晶格替位与三角有序共同贡献了更强的金属–载体作用，为在高电流密度下长期运行提供结构基础。

要点二：光诱导自组装构筑 Co 三角有序 × VN 支撑

• 以含深层 V 空位的 VN 纳米材料为载体，在 UV 光照下实现 Co 原子在晶格内部的迁移与自组装；

• 原子分辨 HAADF-STEM / STEM-EELS 直接观察到 Co 原子占据 V 位点并形成三角有序构型；

• 对比样品表明，VN 中空位类型与浓度对 Co 原子有序与否具有关键影响。

要点三：邻位激活机制——从 DFT 与 XAS 到单分子成像

• DFT 计算揭示：Co 三角有序单元向邻近 V 原子转移电子，使其氢吸附自由能 ΔGH* 接近 0，实现对 VN 基底的“邻位激活”；

• XAS/EXAFS 表明工作状态下存在明显的 Co–V 配位信号，印证了 Co–V 强耦合与结构重构；

• 基于芯片化 TIRF 的单分子成像显示，O-Co/VN 表面 HER 活性位密度较裸 VN 提升约 600 倍，直观证明了从“点催化”到“面催化”的转变。

要点四：安培级 AEM 电解槽下的高活性与长寿命

• 在 1 M KOH 三电极体系中，O-Co/VN 在高电流区表现出优于 Pt/C 的 HER 活性，并在 10–1000 mA cm-2范围内表现出极佳的电位稳定性；

• 组装成 AEM 全电解槽后，O-Co/VN 阴极在 60 ℃、0.5 A cm-2下运行电压仅 1.97 V，优于 Pt/C 对照体系；

• 长期测试显示，在 500 mA cm-2下运行超过 660 h，电压衰减率约 0.13 mV h-1，体现出在工业相关条件下的优异耐久性。

文 章 链 接

Triangular-Ordered Co Atoms Activate Substrates for Ampere-Level Durable Hydrogen Production

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66837-y