【封面论文】北京航空航天大学水江澜：磷化IrMo双金属团簇超高效电催化析氢
1. 设计制备了磷化IrMo双金属团簇，P桥联Ir和Mo。
2. Mo分散稳定Ir，P优化Mo与Ir电子结构，协同促进H2O解离。
3. 大孔碳载体负载IrMoP团簇，展现超低过电位和最高Ir质量活性。
在碱性电解质中电催化析氢反应（HER）是工业中常用的制氢方法，可以有效避免酸性电解质所产生的酸雾污染和设备腐蚀问题。Ir金属对HER反应具有极高的本征活性和良好的稳定性，然而Ir基催化剂在碱性电解质中仍然面临一些困难，包括反应物H2O分子的吸附和解离，以及产物*OH的脱附，这造成极高的反应过电势。此外，近年来Ir的价格增加迅速，迫切需要减少催化剂中Ir的用量，提高Ir的利用率，并且改进反应物和产物的吸附和脱附。团簇催化剂是解决上述问题的有效手段。
团簇通常由几个到几十个原子组成，有着丰富的原子构型和离散能带结构，因此具有丰富可调的反应活性及选择性。一方面，通过改变金属团簇中原子的数目和种类，以及添加非金属成份，能够显著改变团簇的电子结构，进而对其催化性能产生影响。另一方面，可以利用合金化的策略，在贵金属团簇中引入非贵金属，不仅可以通过协同作用提高贵金属位点的活性，还可以分散并稳定贵金属原子，以实现贵金属原子高利用率。
该成果以“Phosphated IrMo bimetallic cluster for efficient hydrogen evolution reaction”为题发表于eScience，并被选为eScience封面文章。
封面故事：水江澜教授团队根据电解水析氢反应的基本步骤合理设计并制备了碳载P掺杂IrMo双金属团簇（IrMoP），将其用于碱性析氢反应。在IrMoP团簇中，Mo分散并稳定Ir原子，使贵金属利用率最大化；P优化了Mo与Ir的电子结构，并与Ir协同解离H2O分子，从而增强了Ir的析氢动力学。上述合理设计使得IrMoP团簇催化剂获得了突破性贵金属质量活性。
在封面设计图中，主体是碳载体负载的机械臂机器人分解H2O分子生成H2的过程。机械臂的底座是Mo原子，起到分散和稳定Ir原子的作用；黄色的机械臂代表Ir原子，紫色机械臂代表P原子，在碳载体通电的状态下，黄色和紫色机械臂协同工作，促进H2O的分解，加速H2产生。远处的城市代表电解H2O产生H2可以广泛的应用于交运，储能，工业等领域。
作者团队合理设计并合成了磷化铱钼合金簇，负载在碳载体的连通大孔表面（IrMoP/MNC），将其用于电催化碱性HER。
图1. IrMoP/MNC催化剂的制备及形貌。
在IrMoP/MNC催化剂的碳载体大孔内壁上分布着大量IrMoP团簇，HAADF-STEM图像表明在每个团簇中存在Ir，Mo两种金属原子，Ir原子被Mo原子分散，Ir原子处于完全暴露的状态，这种结构能够使Ir金属利用率最大化。
图2. IrMoP/MNC的XPS谱。
通过比较IrMoP/MNC和对照样品的P 2p，Mo 3d和Ir 4f 的XPS谱，可以推断出在Ir和Mo原子之间中形成了Ir-P-Mo键。
图3. IrMoP/MNC在1 M KOH中的HER性能。
催化剂IrMoP/MNC在1 M KOH电解液中表现出优异的HER性能，其在10 mA cm-2处的过电位仅有14 mV；在过电位100 mV，贵金属质量活性达到前所未有的18.58 A mgIr-1，展现超低过电位和最高Ir质量活性。
图4. IrMoP/MNC活性来源分析。
IrMoP团簇中的P调节了Ir和Mo之间的电荷分布，加强了团簇对反应物H2O分子的吸附；团簇中的P和Ir分别作为*H和*OH的吸附位点，这种结构有效促进了H2O的解离。另一方面，由于P的调控作用，H2O解离形成的*OH在团簇上的脱附变得更加容易，因此，IrMoP团簇促进了碱性HER中Volmer步骤，进而促进了整个HER过程的动力学。
Phosphated IrMo bimetallic cluster for efficient hydrogen evolution reaction
X. Guo, X. Wan, Q.T. Liu, Y.C. Li, W.W. Li, J.L. Shui*
DOI: 10.1016/j.esci.2022.04.002
通讯作者 水江澜
北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，博导
本科就读于天津大学化工学院，先后于中国科学技术大学（2006年）和美国罗切斯特大学（2010年）获双博士学位，在美国阿贡国家实验室（2010-2013年）和凯斯西储大学（2013-2014年）进行博士后研究工作。当前研究领域聚焦氢能关键材料与器件，包括电催化剂、储氢材料、质子膜燃料电池等。迄今已发表SCI论文100篇，包括Science, Nat. Nanotechnol., Nat. Catal., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, ACS Energy Lett.等国际著名期刊，授权中国/美国发明专利6项。
eScience (国际刊号ISSN：2667-1417；国内出版物号CN12-1468/O6) (《电化学与能源科学（英文）》)，致力于发表能源、电化学、电子学和环境相关领域及其交叉学科具有原创性、重要性和普适性的最新研究成果。成功入选2020年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，2022年初被DOAJ数据库收录。目前，eScience已有四期论文上线，受到海内外专家学者的广泛关注。未来，将继续提升国际学术影响力，服务科技强国建设，助力“碳达峰”和“碳中和”国家重大战略目标。
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