二、推文作者：
周开岭
三、论文相关信息：
第一作者： 张建华
通讯作者：周开岭，汪浩
通讯单位： 北京工业大学材料科学与工程学院新型功能材料教育部重点实验室，材料循环低碳再生全国重点实验室
论文DOI：10.1002/adma.202511276
四、正文请包括以下内容：
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电化学水分解为氢气生产提供了一条可持续的途径，其中单原子催化剂（SACs）因其能最大限度地减少贵金属用量同时保持高活性而成为有前景的候选者。然而，传统单原子催化剂的原子间距离较长，导致协同效应不足，限制了其性能的提高，并且当前广泛研究的单原子催化剂在强酸、强碱等苛刻条件下存在活性位点协同作用弱、结构稳定性差等问题，导致催化活性与寿命难以兼顾，从而制约单原子催化剂的实用性发展。因此，开发兼具高活性、高稳定性与宽pH适应性的新型电催化剂，已成为能源材料领域的迫切需求。
基于此，北京工业大学周开岭、汪浩团队在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表题为“All-Round Enhancement of Wide pH Hydrogen Evolution Enabled by Tungsten-Based Amorphous Alloy-Mediated Adjacent Platinum Atoms”的研究论文，团队依托在金属原子结构调控领域的前期研究积累（Adv. Funct. Mater. 2025, 2423476; Appl. Catal. B-Environ., 2024,358:124393; Nat. Commun., 2021, 12:3783），创新性地提出非晶W基合金基底（FeNiWPB）可以为相邻Pt原子的锚定提供丰富的位点（PtASSA@FeNiWPB），通过Pt-载体相互作用在合金表面形成Pt-W/Fe/Ni极化对，诱导电子重新分布使得Pt原子呈富电子态，结合基底对H2O中的H*和OH*的倾向吸附，加速H2O*的解离及H+的还原，并且通过涉及金属-金属协同作用的Tafel步骤促进多个H*吸附和转化（Pt1-H*+Pt2-H*→Pt1-Pt2+H2*）。此外，通过形成稳定的M-W键（M=Pt、Fe、Ni），催化剂的耐腐蚀性显著增强，有效抑制了宽pH范围内的金属浸出，大幅度增强催化剂的稳定性。因此，PtASSA@FeNiWPB在-10 mA cm-2电流密度下表现出超低过电位，酸性介质中为17 mV，碱性介质中为18 mV，其质量活性分别为商业Pt/C的5.8倍（酸性）和63.6倍（碱性）。值得注意的是，该催化剂在酸性和碱性环境中均能保持性能稳定运行600小时，远超无W对照样品（<50小时）及以往报道，使其处于HER性能的前沿。该工作为设计稳定的电催化剂建立了一种普适性策略。博士生张建华为第一作者。这是该团队继2025年9月24日在《Advanced Materials》期刊上发表“Electrochemically Cation-Induced Three-Phase Conversion for Consecutively Tunable Electromagnetic Wave Response”文章之后一周内发表的又一篇工作。
2、背景介绍：
电化学水分解代表了一种可持续的氢燃料生产途径，既解决了日益增长的全球能源需求，又减少了碳排放。与其他众多催化系统一样，具有原子分散活性位点的单原子催化剂（SACs）的蓬勃发展为在保持优异催化性能的同时最大限度地减少贵金属的利用提供了一种有效的策略。然而，传统单原子材料的原子间距离较长，导致协同效应不足，限制了其性能的提高，这使得开发紧密间隔、高活性的单原子体系成为推进该领域的关键研究方向。此外，研究表明，非晶材料表面存在大量的表面缺陷，包括不饱和悬空键和原子空位等，有利于形成原子间距单原子（ASSA）催化剂，通过协同作用增强催化性能。然而，在长时间的操作过程中，非贵金属组分表现出溶解倾向，而高表面能驱动单原子聚集，最终降低催化活性。因此，开发构建具有增强稳定性的紧密间隔原子构型的方法既是一个关键的研究方向，也是推进单原子催化剂发展的重大技术挑战。
3、创新点与科学意义
（1）机制创新：
本研究首次提出非晶W基合金基底（FeNiWPB）诱导近距离Pt单原子催化剂的多重协同机制，通过非晶材料表面存在大量的不饱和悬空键和原子空位等，为相邻Pt原子的锚定提供丰富的位点（PtASSA@FeNiWPB）。通过Pt-载体协同作用在合金表面形成Pt-W/Fe/Ni极化对，诱导电子重新分布使得Pt原子呈富电子态，结合基底对H2O中的H*和OH*的倾向吸附，加速H2O*的解离及H+的还原，并且通过涉及金属-金属协同作用的Tafel步骤促进多个H*吸附和转化（Pt1-H*+Pt2– H*→Pt1-Pt2+H2*）。此外，通过形成稳定的M-W键（M=Pt、Fe、Ni），催化剂的耐腐蚀性显著增强，有效抑制了宽pH范围内的金属浸出，大幅度增强催化剂的稳定性。PtASSA@FeNiWPB催化剂实现了活性-稳定性权衡的平衡，从而建立了高活性、高稳定性电催化剂的有效策略。
（2）性能突破：
PtASSA@FeNiWPB在-10 mA cm-2电流密度下表现出超低过电位，酸性介质中为17 mV，碱性介质中为18 mV，其质量活性分别为商业Pt/C的5.8倍（酸性）和63.6倍（碱性），即在宽pH范围内均表现出优异的催化性能。值得注意的是，该催化剂在酸性和碱性环境中均能保持性能稳定运行600小时，远超无W对照样品（<50小时）及以往报道，使其处于HER性能的前沿。
（3） 实用价值：
材料制备工艺简单高效，原材料成本可控，具备规模化生产基础。该催化剂在酸性和碱性环境中均实现了活性-稳定性权衡的平衡，且通过各种原位表征技术集合理论计算理清了催化反应的机制和高稳定性的原理，为设计新型高效、稳定的电解水催化剂提供了新思路。
4、图文解析：
图1展示了催化剂的合成路径与微观结构表征。通过化学还原与电化学沉积相结合的制备策略，成功在非晶FeNiWPB合金载体上构筑了原子级分散且间距约为3.0 Å的相邻Pt单原子位点。TEM证实了FeNiWPB载体的非晶特征，HAADF-STEM图像证实了Pt的原子级分散及相邻Pt单原子位点的平均间距。
图2通过XPS与X射线吸收精细光谱揭示了W掺杂对Pt电子结构的调控作用。XPS图谱中PtASSA@FeNiWPB的Pt 4f轨道结合能相较于无W样品发生负移，表明W向Pt发生了电子转移，使Pt位点呈现富电子态。EXAFS光谱精确地解析了PtASSA@FeNiWPB结构内Pt单原子的局部配位。XANES光谱揭示了非晶FeNiWPB中相邻Pt原子呈富电子态，说明W的引入使Pt在FeNiWPB中具有富电子的5d轨道占位。小波变换（WT）结果证实了Pt在非晶合金衬底中的单原子分布，且Pt与原子序数较小的金属元素Fe、Ni和W形成配位键。
图3比较了催化剂在酸性与碱性介质中的电催化性能。在酸性和碱性介质的不同pH条件下，PtASSA@FeNiWPB催化剂在过电位、tafel斜率、质量活性、TOF和稳定性等方面均具有优异的性能。
图4原位表征结合DFT理论计算揭示了催化反应机制。EIS分析显示PtASSA@FeNiWPB在反应过程中具有较低的氢吸附阻力与更快的电荷转移动力学。原位ATR-FTIR谱图中在3525 cm-1与2017 cm-1处分别观察到H₃O+与Pt-H⁺的特征吸收峰，证实了水分子在催化剂表面高效解离与氢中间体的快速形成与转化。理论计算进一步表明，W的引入不仅提高了H2O分子的吸附能，还显著降低了水解离能垒，并通过优化Pt位点的d带中心与氢吸附自由能，促进了多原子协同的Tafel步骤。
图5原位紫外-可见光谱、ICP与DFT理论计算结合探讨了W对催化剂稳定性的增强机制。在酸性及碱性条件下，无W样品中Ni、Fe等金属元素出现明显溶出，而PtASSA@FeNiWPB则表现出优异的抗溶解性能。理论计算表明，W与Pt、Fe、Ni之间形成的强M-W键显著提高了金属原子的解离能，这表明W的引入直接增强了Pt与基底之间的相互作用，从而提高了解离能。此外，W的掺入提高了Fe和Ni在衬底中的离解能，间接提高了Pt原子的稳定性，减少了它们在HER过程中迁移或溶解的倾向。
5、总结与展望：
本研究通过还原法将W掺入非晶FeNiPB合金中，成功制备了非晶FeNiWPB合金基底，随后通过电沉积法制备了邻近的Pt单原子催化剂（PtASSA@FeNiWPB）。该体系实现了宽pH范围内的超稳定析氢。结合原位/非原位实验分析和理论计算证实，优异的HER性能源于加速的Volmer-Tafel步骤以及W在增强催化剂稳定性方面的关键作用。虽然本研究主要关注HER应用，但它强调了精确控制贵金属原子间距与非晶合金载体设计相结合，能够在单原子催化剂（SACs）中实现活性-稳定性权衡的最佳平衡，从而为设计耐用电催化剂提供了一种全新的解决方案。
通讯作者简介
汪浩：北京工业大学教授，博士生导师。长期从事锂离子电池、金属-空气电池、电致变色材料与器件、电催化等方面的研究。以通讯作者在化学、材料领域国际知名期刊Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Energy Storage Mater., Mater. Horiz., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, Small等上面发表SCI论文100余篇，SCI引用5000余次，获得中国发明专利60余项。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委计划项目、北京市教委科技计划重点项目、JKW装备预研项目、国家电网公司科技计划等项目。以第一完成人获2008年北京市科技进步三等奖。
周开岭：北京工业大学副研究员，博士生导师，入选北京市青年人才托举工程，获北京市优秀博士论文，中国硅酸盐学会优秀博士学位论文提名等。目前主要围绕氢能关键材料与技术展开相关研究工作，主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、北京市博后基金、企事业委托项目等。以第一作者或通讯作者身份在Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Nano Energy, 等国际一流刊物上发表SCI论文60余篇；总引用次数超过3000余次。
第一作者简介
张建华：北京工业大学材料科学与工程学院2022级博士研究生，研究方向为氢能催化材料与技术。目前以第一/共一作者身份在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Small等国际知名期刊发表SCI论文8篇。曾获得研究生国家奖学金2次，2022年北京市优秀毕业生、第八届“互联网+”大学生创新创业大赛北京市三等奖、北京工业大学博士研究生创新奖学金等荣誉。
