2025年10月14日，国立清华大学楊東翰在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《Toward the Sabatier Principle-Guided Design of Low-Platinum-Group-Metal Trimetallic Nanocatalysts for Efficient Hydrogen Evolution and Oxidation Reactions》的研究论文，Yu-Mei Huang为论文第一作者，楊東翰为论文通讯作者。
在本文中，作者基于萨巴蒂尔原理，设计并构建了一种面向析氢反应（HER）与氢氧化（HOR）反应的中熵、低铂族金属（PGM）三元纳米催化剂。
通过将PGM（Ir、Pt、Pd、Ru或Rh）与对氢（H*）和羟基（OH*）中间体具有强吸附能力的Mo，以及吸附能力较弱的Cu合金化，成功开发出具备可调吸附特性的催化材料。
作者建立了一种自催化还原介导的合成方法，其中PGM原子在低于300 °C条件下促进较难还原的Mo(V)和Cu(II)前驱体还原，这一过程通过氢气程序升温还原（H2-TPR）和高分辨粉末X射线衍射（HRPXRD）得以验证。
晶体结构分析与同步辐射X射线吸收光谱（XAS）结果表明，Ir-Mo-Cu纳米催化剂形成了原子级均匀混合的单相结构，而其他四种PGM-Mo-Cu体系则表现出晶体质量差或相分离现象。
在所制备的催化剂中，Ir-Mo-Cu纳米催化剂展现出卓越的HER质量活性，是商业化Pt/C的近7倍，同时在HOR中也表现出优异的质量活性和出色的稳定性。
此外，密度泛函理论（DFT）计算与操作条件下的XAS研究进一步揭示，Ir与Mo、Cu的合金化有效调控了H*与OH*的吸附强度，实现了吸附能的平衡，从而提升了催化性能，同时将贵金属含量控制在20 at.%以下。
图1：通过H2-TPR和原位HRPXRD分析的三金属纳米催化剂的还原动力学。a) 单一金属前体（Ir(IV)、Mo(V)和Cu(II)）以及等摩尔三金属前体混合物Ir0.33Mo0.33Cu0.33（无恒温保持）的H2-TPR谱图。b–g) 在150 °C下进行恒温保持步骤的PGM0.2Mo0.4Cu0.4前体的H2-TPR谱图：(b) Ir0.2Mo0.4Cu0.4, (c) Ir0.33Mo0.33Cu0.33, (d) Pt0.2Mo0.4Cu0.4, (e) Pd0.2Mo0.4Cu0.4, (f) Ru0.2Mo0.4Cu0.4, 和 (g) Rh0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂。h) 在10% H2/N2环境下热还原过程中收集的Ir0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂的原位HRPXRD图谱。图2：PGM-Mo-Cu三金属纳米催化剂的物相结构、结晶度和元素分布。a) Ir0.2Mo0.4Cu0.4, Pt0.2Mo0.4Cu0.4, Pd0.2Mo0.4Cu0.4, Ru0.2Mo0.4Cu0.4, 和 Rh0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂的实验室XRD图谱。b–f) Ir0.2Mo0.4Cu0.4, g–k) Pt0.2Mo0.4Cu0.4, l–p) Pd0.2Mo0.4Cu0.4, q–u) Ru0.2Mo0.4Cu0.4, 和 v–z) Rh0.2Mo0.4Cu0.4 纳米催化剂的高分辨透射电子显微镜图像、粒径分布、傅里叶变换图谱和EDS元素分布图。图3：PGM-Mo-Cu纳米催化剂提出的自催化还原和形成机制。a) Ir0.2Mo0.4Cu0.4, b) Pt0.2Mo0.4Cu0.4, c) Pd0.2Mo0.4Cu0.4, d) Rh0.2Mo0.4Cu0.4, 和 e) Ru0.2Mo0.4Cu0.4。图4：Ir0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂的化学状态和配位环境。a–c) 单个元素的XPS谱图：(a) Ir 4f, (b) Mo 3d, (c) Cu 2p。d–f) 相应吸收边的XANES谱图：(d) Ir L3边, (e) Mo K边, (f) Cu K边。g–i) (g) Ir, (h) Mo, 和 (i) Cu 的R空间EXAFS谱图。j) 从EXAFS分析得出的配位数和径向距离拟合结果。图5：PGM-Mo-Cu纳米催化剂的酸性HER性能。a) 比较Ir0.2Mo0.4Cu0.4, Pt0.2Mo0.4Cu0.4, Pd0.2Mo00.4Cu0.4, Ru0.2Mo0.4Cu0.4, Rh0.2Mo0.4Cu0.4, Ir0.2Mo0.6Cu0.2, Ir0.2Mo0.2Cu0.6 纳米催化剂和商业10 wt.% Pt/C的HER活性的极化曲线。b) 塔菲尔图。c) 在-0.1 V下评估的比活性。d) 在-0.1 V下评估的质量活性。图6： Ir0.2Mo0.4Cu0.4表面氢吸附自由能（ΔGH）的DFT计算。a) Ir, Mo, Cu 和 Ir0.2Mo0.4Cu0.4表面的原子模型，并标出了氢吸附位点。b) 氢在Ir, Mo, Cu 和 Ir0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂上吸附的反应坐标图。c) 计算得到的Ir0.2Mo0.4Cu0.4表面的ΔGH值。d) 顶位、桥位和空心位的位点特异性ΔGH值。e) 不同金属表面空心位点的ΔGH比较。图7：不同组成的Ir-Mo-Cu纳米催化剂的碱性HOR性能以及相应的Hupd和CO溶出表面吸附分析。a,b) 比活性比较：(a) LSV曲线, (b) 在0.05 VRHE和0.1 VRHE下的比活性。c,d) 质量活性比较：(c) LSV曲线, (d) 在0.05 VRHE和0.1 VRHE下的质量活性。e,f) (e) Pt/C 和 (f) Ir0.2Mo0.4Cu0.4 纳米催化剂经过9000次CV循环后的耐久性评估。g) Hupd 和 h) CO溶出分析。图8：在碱性HOR条件下对Ir0.2Mo0.4Cu0.4纳米催化剂进行的Operando XAS分析。在不同施加电位下收集的XANES和R空间EXAFS谱图，用以探究：a,b) Ir L3边, c,d) Mo K边, 和 e,f) Cu K边的电子和结构变化。
综上，作者围绕萨巴蒂尔原理，系统阐述了低铂族金属（PGM）三元纳米催化剂在析氢（HER）与氢氧化（HOR）反应中的设计、合成与性能调控机制。
研究以Ir-Mo-Cu为代表体系，通过自催化还原法在低于300 °C条件下实现原子级均匀合金化，构建出具有面心立方（FCC）固溶体结构的中熵纳米催化剂。
该催化剂在酸性HER中展现出19.3 A/mgPGM的质量活性，约为商业化Pt/C的7倍；在碱性HOR中也实现了1.54 A/mgPGM的高活性与优异的循环稳定性。
结合原位同步辐射X射线衍射、X射线吸收光谱与密度泛函理论（DFT）计算，研究揭示了Ir与Mo、Cu之间的电子协同效应与吸附能优化机制，表明Mo在调控OH*吸附中起关键作用，而Ir与Cu则协同调节H*吸附强度，最终实现双功能催化性能的最优平衡。
本研究不仅为低PGM催化剂在能源转化中的高效应用提供了理论依据和实验路径，也为多金属体系的可控合成与性能预测建立了范式。
Toward the Sabatier Principle-Guided Design of Low-Platinum-Group-Metal Trimetallic Nanocatalysts for Efficient Hydrogen Evolution and Oxidation Reactions. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202514858.
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