在水電解催化劑領域，負載型鉑基催化劑一直表現出優異的催化活性，然而不同氧化態鉑物種（尤其是較高氧化態）的催化機制仍不明確。2025年8月29日，中國石油大學（北京）劉堅、李振興、孫源卿團隊在Advanced Functional Materials期刊發表題為“Photoinduced Oxygen Species Construct Pt-O Active Sites:Enhancing Proton Transport Dynamics for Efficient Hydrogen Electrode Reactions”的研究論文，團隊成員劉培林、孫源卿為論文共同第一作者，孫源卿、中國石油天然氣股份有限公司Xu Hua、西湖大學王寓、李振興、中國科學院高能物理研究所劉云鵬、劉堅為論文共同通訊作者。

該研究開發了一種紫外光誘導活性氧物種（ROS）策略，在氮摻雜中空碳球（NHCS）上構建了均勻分散的PtO?納米團簇（PtO?/NHCS）。原位拉曼光譜和密度泛函理論DFT計算表明，氮摻雜碳基質通過吸附含氧物種優化了質子傳輸路徑。此外，PtO?團簇中Pt–O單元的獨特電子結構加速了活性位點上質子吸附與脫附能力的轉變。因此，該工程化催化劑在氫電極反應中表現出卓越的雙功能性能：在堿性和酸性條件下分別僅需17 mV和18 mV的超低過電位即可實現10 mA·cm?2的析氫反應（HER）電流密度，同時在η=50 mV時實現了1345.56 mA·mg?1的優異氫氧化反應（HOR）質量活性。此外，所觀察到的HER與HOR之間的動力學互補性為質子傳輸機制的可能性提供了有力證據。

解決日益嚴重的環境污染和能源短缺問題是21世紀的核心議題之一。將風能、太陽能和潮汐能等可再生能源以化學鍵形式儲存于化學燃料中是一種可行的解決方案。氫氣（H?）具有極高的能量密度，可通過水電解產生，是一種真正的無碳能源。鉑基催化劑目前是工業催化的基石，廣泛應用于氧還原反應（ORR）、氫氧化反應（HOR）、CO和NO?去除、烷烴重整以及析氫反應（HER）等多種催化過程。過去十年中，研究人員開發了多種非鉑基催化劑以促進HER，但鉑基催化劑在HER中仍保持其獨特優勢。鉑的稀缺性仍是一項未解決的挑戰，這凸顯了探索鉑催化劑本征活性以提高其利用效率的迫切性。

電催化劑活性的增強主要依賴于通過針對性降低能壘來加速決速步驟（RDS）的動力學。對于質子耦合氫電極反應（如HER和HOR），酸性和堿性環境之間不同的動力學需求要求精準定制催化劑結構。HER在堿性電解質中表現出比酸性電解質低12個數量級的交換電流密度。這一動力學差異長期歸因于需要高能量水分解的Volmer步驟限制。傳統觀點認為，緩慢的水活化導致界面H?濃度不足，從而推動了大量構建羥基促進位點的研究。

近期研究提出了一個理論框架，表明水分解為H?和OH?表現出超快的動力學特性，其在電極界面的可逆過程可在亞微秒時間尺度內達到動態平衡。這有效解決了傳統H?濃度不足的瓶頸問題。基于這一理論突破，研究焦點已轉向通過活性位點的電子結構調控來優化氫中間體（H*）的吸附/解吸自由能。同時，構建異質界面以增強活性位點的氫溢流效應，已成為改善析氫動力學的有效策略。在水系體系中，H?遷移類似于導體中的電子轉移，作為一種電荷補償機制，其根本支撐是經典的導電網絡。值得注意的是，催化劑的界面微環境，特別是水分子的排列和氫鍵網絡的特征，已成為一個新興的研究前沿。實驗證據表明，優化氫鍵網絡的連續性可以增強質子傳輸效率，從而顯著提升寬pH范圍內的催化性能。

圖.PtO?/NHCS、Pt/NHCS、PtO?/NC、Pt/C和NHCS在堿性介質中的HER性能：a)LSV曲線。b)在過電位0.1 V時PtO?/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C的質量活性。c)Tafel斜率，及d)各種Pt基HER催化劑在1 M KOH中的Tafel斜率和過電位（j=10 mA·cm?2）比較。在酸性介質中：e)PtO?/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C在0.5 M H?SO?溶液中具有相同幾何表面積的HER極化曲線。插圖為過電位（j=10 mA·cm?2）。f)按工作電極上Pt負載量歸一化的PtO?/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C的HER極化曲線。插圖為電流密度1 A·cm?2時的質量活性。g)相應Tafel斜率。h)PtO?/NHCS與以往報道的其他Pt基催化劑在0.5 M H?SO?溶液中的HER活性比較。電催化劑的HOR性能：i)PtO?/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C在H?飽和的0.1 M KOH電解液中的LSV曲線。j)PtO?/NHCS在不同轉速測試（400–2500 rpm）下的LSV曲線；插圖為相應的Koutecky–Levich圖。k)三種樣品動力學電流密度的Tafel圖。l)三種樣品的微極化區域。

總之，該研究通過紫外照射策略將含有Pt–O結構單元的PtO?納米團簇均勻沉積在氮摻雜中空碳殼上，使催化劑在堿性和酸性介質中均表現出卓越的HER和HOR雙功能催化性能。EPR和原位DRIFTS分析證實，紫外照射誘導碳載體表面生成活性氧物種，促進了金屬Pt氧化成高度分散的PtO?納米團簇。XPS和XAS表征表明，PtO?中的Pt物種以+2.98的高氧化態存在，這歸因于Pt–O鍵之間顯著的電子耦合效應。這種電子耦合進一步增強了Pt–O鍵與碳載體之間的電子調控作用。

PtO?/NHCS催化劑表現出顯著的pH普適性能：在1 M KOH中僅需17 mV過電位即可實現10 mA·cm?2的HER電流密度，質量活性達2.73 A·mg?1（較商業Pt/C提高4倍）；在0.5 M H?SO?中TOF值比Pt/C高25倍。DFT計算闡明，Pt–O單元動態調節ΔGH*，其隨氧位點上H*覆蓋度的增加而逐漸演變，顯著降低了氫吸附/脫附的動力學能壘。原位XAFS證實，在析氫電位下同時存在Pt–Pt和Pt–O鍵。PtO?中的Pt–O單元使Pt發生梯度價態變化，從而同時優化了氫的吸附和脫附。

這種獨特的電子構型與氮摻雜碳載體優化的質子傳輸路徑協同作用，實現了出色的HOR性能：在50 mV過電位下電流密度達2.68 mA·cm?2，質量活性為1345.56 mA·mg?1。基于上述結果，該研究合理地將質子傳輸效率確定為氫電極反應的關鍵決定因素之一，其中溶劑層與活性位點之間溶劑依賴的雙向質子傳輸直接決定了氫電極過程的反應動力學。氫電極反應表現出可逆的質子傳輸特性：溶劑層向雙電層提供持續的質子流，而電子優化的活性位點則促進質子與氫氣之間的高效雙向轉化。這種通過協同優化質子傳輸網絡和界面電荷轉移動力學來設計高性能雙功能電催化劑的方法具有創新性。