她，海南大学90后副教授，联手南洋理工范洪金，新发Nature子刊！HER新进展！

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碱性析氢过程中Volmer步骤的缓慢动力学导致了大量的能量消耗，如何控制水的吸附和解离是目前尚未解决的难题。

2024年8月2日，新加坡南洋理工大学范洪金教授、海南大学材料科学与工程学院刘一蒲副教授团队合作在Nature Communications期刊发表题为“Biaxial strain induced OH engineer for accelerating alkaline hydrogen evolution”的研究论文，南洋理工大学Zhang Tao、海南大学叶齐通为论文共同第一作者，刘一蒲副教授、范洪金教授为论文共同通讯作者。

刘一蒲，海南大学材料科学与工程学院副教授，专注于电催化析氢反应、电催化析氧反应、电催化氧还原反应等研究；2014年本科/2019年博士毕业于吉林大学化学学院，导师：李国栋教授/邹晓新教授；2019-2021年于吉林大学/新加坡南洋理工大学从事博士后研究，合作导师：邹晓新教授/范红金教授；2021年6月加入海南大学。

范红金，新加坡南洋理工大学数理学院教授，Materials Today Energy主编，专注于新型电池和非贵金属电催化等研究；1999年本科毕业于吉林大学物理系；2003年博士毕业于新加坡国立大学物理系；后于德国马普所/英国剑桥大学从事博士后研究；2008年加入新加坡南洋理工大学。

该研究开发了双轴应变MoSe2三维纳米壳，这种纳米壳具有更强的催化性能，在碱性10 mA cm-2的条件下过电位低至58.2 mV，在基于膜电极组装的电解槽中1 A cm-2的条件下具有长期稳定的活性。与平面和单轴应变的MoSe2相比，研究发现在双轴应变的MoSe2上稳定吸附的OH通过更强的氢键改变了水的吸附构型，从Mo上的O-向下变为OH*上的O-水平。3配位Mo位点上有利的水解离和4配位Mo位点上的氢吸附构成了串联电解，从而产生热力学上有利的析氢。该研究加深了对应变维度对水解离影响的理解，并启发了纳米结构催化剂的设计，以加速多电子反应的速率决定步骤。

研究人员开发了一种模板方法来合成平面、单轴和双轴应变的MoSe2，并深入研究了应变维度对碱性HER性能的影响。双轴应变MoSe2三维（3D）纳米壳（B-MoSe2）显示出卓越的HER催化性能，在碱性条件下10mA cm-2时过电位低至58.2mV，反应动力学得到增强，并且在工业电流水平（1A cm-2）的膜电极组装（MEA）电解槽中具有优异的长期耐久性。原位拉曼显示，双轴应变能有效诱导水合K+离子水（K+-H2O）通过脱溶转变为四氢键水（4HB-H2O），从而加速H2O的解离。控制实验和密度泛函理论DFT计算显示，与平面和单轴应变的MoSe2相比，双轴应变能有效稳定MoSe2表面的OH，通过更强的氢键将水吸附构型从Mo上的O-向下变为OH*上的O-水平，从而促进本征HER性能的提高。同时，洋葱状三维纳米壳赋予了MoSe2极佳的结构稳定性。该研究明确揭示了应变维度对表面氢氧化物反应行为和Volmer过程的影响。它还为优化复杂化学反应中的速率决定步骤（RDS）提供了指导。

图1. 零应变、单轴应变和双轴应变的定义和影响

图2. B-MoSe2、U-MoSe2和F-MoSe2的形貌表征

图3. 化学态和电子结构分析

图4. 碱性HER性能

图5. 界面水在不同MoSe2上的行为

图6. 计算双轴应变对水吸附和析氢的影响

总之，该研究开发了一系列具有定制应变维度的MoSe2，以研究OH工程对加速析氢的影响，尤其是对水解离过程的影响。实验结果表明，与平面或单轴MoSe2相比，B-MoSe2的水吸附和解离能更低，从而显著加速了Volmer过程。因此，B-MoSe2在10 mA cm-2时具有58.2 mV的低过电位，显示出卓越的碱性HER活性。同时，洋葱状三维纳米壳赋予了MoSe2优异的结构稳定性，使其在MEA基电解槽中以1 A cm-2的电流保持长期稳定性。系统的原位拉曼和理论计算揭示了一种高效的串联催化机制：B-MoSe2上稳定的OH*能改变水的吸附构型，降低3Mo位点上水解离的能垒，进而加速4Mo位点上氢的吸附，导致热力学上有利的碱性HER过程。该研究加深了对应变维度与碱性水分解之间关系的理解，可为设计高效的多电子化学反应催化剂提供指导。

■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等

■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等

■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR

■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关