DOI：10.1016/S1872-2067(25)64685-7

近日，《催化學報》在線發表了揚州大學/昆明理工大學馮立綱教授團隊在質子交換膜（PEM）電解水領域的最新研究成果。該工作通過理論導向設計，成功構建了Ir/MoSe₂@MCS雙功能催化劑，通過功函數差異自發誘導內置電場，顯著提升了催化性能。論文第一作者為張冰潔，通訊作者為馮立綱教授。

      隨著全球對綠色能源需求的增長，PEM電解水技術因其高效、環保的特性成為綠色制氫的關鍵技術。然而，傳統電解槽需分別使用Ir基和Pt基催化劑，成本高昂且工藝復雜。開發兼具高效OER和HER活性的雙功能催化劑是當前研究的重點，但其性能提升仍面臨巨大挑戰。

      本研究通過功函數差異誘導的內置電場效應（Δ? = 0.13 eV），創新性地開發了具有雙功能催化活性的Ir/MoSe₂@MCS催化劑。基于Ir與MoSe₂之間的功函數差異，該催化劑在界面自發形成內置電場，有效調控了電子結構，顯著提升了催化活性。在酸性條件下，Ir/MoSe₂@MCS表現出優異的OER性能（252 mV@10 mA cm^-2）和HER性能（28 mV@10 mA cm^-2），其質量活性較商用Ir/C提升了10倍以上。該催化劑在實際應用中展現出卓越的性能，PEM電解槽在1.87 V的低電壓下即可實現2 A cm^-2的高電流密度，并穩定運行30小時以上，整體性能顯著超越傳統的Pt/C||IrO₂體系。

圖1. Ir/MoSe₂界面內置電場形成機制。

要點：

DFT計算揭示了Ir與MoSe₂界面因功函數差異（Δ?=0.13 eV）引發的自發電荷轉移現象。通過平面平均電勢分析可見，電子從Ir納米顆粒向MoSe₂載體定向遷移，形成空間電荷區并建立內置電場。差分電荷密度圖譜中，界面處Ir原子周圍呈現顯著的電子耗盡（黃色區域），而MoSe₂表面出現電子富集（藍色區域），這種非對稱電荷分布直接調控了Ir活性中心的電子結構，使其d帶中心下移0.06 eV，減弱了含氧中間體的吸附強度，為后續雙功能催化奠定電子結構基礎。

圖2. 酸性環境中OER/HER電催化性能突破

要點：

在0.5 M H₂SO₄電解液中，Ir/MoSe₂@MCS展現出優異的雙功能活性。OER過程中僅需252 mV過電位即可驅動10 mA cm^-2電流密度，比商業IrO₂催化劑（340 mV）低88 mV；HER性能更是超越基準Pt/C，在28 mV超低過電位下達到相同電流，其Tafel斜率（30 mV dec^-1）揭示反應遵循Volmer-Tafel機制。特別值得關注的是，當基于Ir質量計算時，該催化劑的OER質量活性高達124.41 A g^-1_Ir，是傳統Ir/C的10.6倍，這種"少銥高效"的特性大幅降低了材料成本。

圖3. 穩定性分析與PEM電解槽的工業級運行

要點：

長期測試后的Mapping顯示Ir、Mo、Se元素仍保持均勻分布，無團聚現象，XPS分析證實Ir的氧化態（Ir⁴⁺/Ir⁰）與初始值基本一致，Mo 3d結合能維持穩定，表明催化劑在強酸條件下具有優異的化學穩定性。將Ir/MoSe₂@MCS同時作為陰陽極組裝的PEM電解槽，在25℃條件下展現出卓越的工業化潛力。1.87 V槽電壓即可實現2 A cm^-2的高電流密度，遠低于商用Pt/C||IrO₂體系。持續30小時的穩定性測試中，在1.65 V恒定電壓下電流密度衰減可忽略不計。這種穩定性源自MoSe₂載體對Ir的電子錨定效應以及碳的支撐作用。

圖4. 理論計算揭示電子調控本質

要點：

通過構建Ir/MoSe₂界面模型進行第一性原理計算，發現內置電場誘導的電子重排使Ir活性位點呈現缺電子態，這直接改變了決速步的能壘分布：OER過程中，IrO₂/MoSe₂界面將*O→OOH決速步驟的吉布斯自由能為1.65 eV；HER方面，Ir位點的氫吸附自由能（ΔG_H），幾乎滿足理想催化劑的零吸附能要求。晶體軌道哈密頓布居（COHP）分析進一步顯示，Ir-O鍵的反鍵軌道填充增加，導致中間體吸附能減弱，這種電子"雙向優化"機制是同時提升OER/HER活性的關鍵。

本研究通過系統的實驗表征和理論計算，完整揭示了功函數誘導內置電場在雙功能催化中的核心作用。在XPS分析中發現，MoSe₂在OER過程中會發生優先氧化形成Mo保護層，這種"犧牲保護"機制有效抑制了Ir活性位點的過度氧化，使其Ir⁴⁺含量穩定在65.98%。同時，界面電荷轉移促使Ir的d帶中心下移，這一電子結構調整被DFT模擬證實可顯著優化中間體吸附強度。OER過程中，Ir會被氧化為IrO₂（活性物質），IrO₂/MoSe₂界面的*O→OOH決速步能壘明顯比純IrO₂低；對于HER，Ir位點的ΔG_H近乎理想值0 eV。這種雙功能協同機制在分子尺度展現為：OER時MoSe₂通過電子補給防止Ir活性位點失活，HER時內置電場加速質子耦合電子轉移，二者共同實現了"1+1>2"的催化效應。

1. 功函數差異驅動：理論設計Ir/MoSe₂@MCS催化劑，實現功函數差異驅動的內置電場效應。顯著優化電子轉移路徑，解決傳統催化劑電子傳導滯后問題。

2. 雙功能高效催化：在酸性介質中同時實現超低過電位（HER: 28 mV、OER: 252 mV@10 mA cm^-2），遠超商用Pt/C和IrO₂。

3. 低載量高穩定：Ir載量僅0.23 mg cm^-2，PEM電解槽在1 A cm^-2下穩定運行超30小時，突破工業應用瓶頸。

4. 該策略可拓展至其他貴金屬-載體體系，助力綠色氫能規模化應用。