JACS再亮剑！“闭环大法”深挖数据金矿，揪出酸性水分解“非主流”催化新星RbSbWO₆

作者信息

2025年5月8日，日本东北大学先进材料研究所的Xue Jia与悉尼大学化学与生物分子工程学院的Zihan Zhou（共同第一作者），携手日本东北大学先进材料研究所的Hao Li教授、Koji Amezawa教授以及悉尼大学的Li Wei教授（共同通讯作者）等团队，在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）上发表了题为“酸性条件下高效电催化水分解的稳定低成本双功能金属氧化物催化剂的闭环发现框架”（Closed-Loop Framework for Discovering Stable and Low-Cost Bifunctional Metal Oxide Catalysts for Efficient Electrocatalytic Water Splitting in Acid）的研究论文。

详细点评：

这篇文献的主角，是一个名为RbSbWO₆的金属氧化物，以及一套发现它的“闭环设计框架”。金属氧化物催化剂，尤其是在水分解领域，可谓是科研界的“老江湖”了。传统的研究思路，不外乎在常见的钴、镍、铁基等材料上修修补补，搞搞掺杂、调控形貌、造造氧空位。那么问题来了：这样一个看似“老掉牙”的领域，作者们是如何“螺蛳壳里做道场”，还能在JACS这样的顶刊上占据一席之地的呢？

这就点到了科研的精髓：洞察与方法！面对同一个“山头”，换条“索道”、用个“新地图”，风景可能就大不一样。这篇工作的亮点，不在于对某个已知材料的极致优化，而在于其系统性的发现策略和对反应本质的深究。作者们没有像“黑瞎子掰棒子”那样，满足于尝试已知的热门材料，或者仅仅停留在“某个材料在酸性条件下OER还行”的表面现象。他们构建了一个“前端探索-中端测试-后端表征”并能反馈优化的“闭环框架”。

具体来说：

前端“算得准”

：利用其“数字催化平台”（DigCat）进行数据挖掘，初步筛选出在酸性OER条件下有潜力的稳定MOs。关键在于，他们没有因为理论上大部分MOs在酸性HER条件下不稳定就直接排除，而是考虑到了电化学条件下表面状态（比如氧空位Ov）的动态变化可能带来的转机。

理论“挖得深”

：对筛选出的RbSbWO₆，进行了细致的表面态分析和微动力学模拟。这不仅仅是算个吸附能那么简单，而是探究了在OER和HER真实电位下，催化剂表面可能发生的覆盖（如O*、OH*）或缺陷（Ov）形成，并识别出（011）晶面的不同侧分别主导OER和HER，展现出“双端催化”的潜力。这种对“真实工作状态”的关注，远比在理想模型上打转要深刻得多。

实验“做得实”

：理论预测后，迅速跟进实验合成、性能测试和先进表征，不仅证实了RbSbWO₆在酸性介质中优异的双功能（OER/HER）催化活性和稳定性，还通过PEMWE器件验证了实用潜力。

循环“能迭代”

：实验结果反哺DigCat平台，丰富数据库，为后续的催化剂发现提供更精准的指导。

题目“Closed-Loop Framework for Discovering Stable and Low-Cost Bifunctional Metal Oxide Catalysts for Efficient Electrocatalytic Water Splitting in Acid”拆解一下关键词：

Ø闭环框架(Closed-Loop Framework): 这是本研究的核心方法论。你可以把它想象成一个“提出假说  实验验证  数据反馈  优化假说”的智能循环系统。它不是一次性的筛选，而是通过不断的学习和迭代，让催化剂的探索和发现过程更精准、更高效，像一个能自我进化的“催化剂发现引擎”。

Ø发现(Discovering): 研究的首要目标是“挖掘宝藏”，致力于找到全新的、有应用潜力的催化剂材料，而不是仅仅优化已知的材料。

Ø稳定(Stable): 这是对催化剂“持久力”的要求。特别是在严苛的酸性工作条件下，催化剂不能轻易“阵亡”，必须保持结构和性能的长期稳定。

Ø低成本(Low-Cost): 强调经济可行性。研究的目标是寻找那些既好用又便宜的材料，以替代目前依赖的昂贵贵金属（如铂、铱），为氢能源的大规模推广降低门槛。

Ø双功能(Bifunctional): 指的是催化剂要是个“多面手”。在水分解过程中，它需要同时胜任两个关键的半反应：析氧反应 (OER) 和析氢反应 (HER)，一块材料干两样活。

Ø金属氧化物催化剂(Metal Oxide Catalysts): 这是研究对象的“身份”。金属氧化物是一类由金属元素和氧元素组成的化合物，因其多样的组成和结构，在催化领域展现出巨大潜力。

Ø高效(Efficient): 衡量催化剂“业务能力”的关键指标。即以尽可能低的能量输入（过电位）实现尽可能高的反应速率（电流密度）。

Ø电催化水分解(Electrocatalytic Water Splitting): 这是催化剂大展身手的“应用场景”。通过电能驱动，将水分子分解成氢气和氧气，是获取清洁氢能的重要途径。

Ø酸性环境 (In Acid): 特指催化剂工作的“战场”。酸性电解液对催化剂的稳定性和活性都是一个巨大的挑战，很多材料在酸性条件下容易腐蚀或失活。

总结一下：这篇文章旨在通过一种创新的、可自我优化的“闭环框架”，去寻找和发现那些在酸性条件下既稳定、又便宜、还能同时高效催化水分解产氧和产氢的“全能型”金属氧化物催化剂。

摘要

摘要是文章的“精华浓缩版”，咱们按照“背景-问题-方案-亮点-意义”的框架来解析：

研究背景：电催化水分解（包含析氧反应OER和析氢反应HER）是生产可持续氢能的重要途径。低成本的金属氧化物（MOs）作为替代贵金属电催化剂的理想选择备受关注。

存在的挑战/问题：然而，金属氧化物在酸性介质中的应用仍然充满挑战，主要在于其稳定性不足。特别是，要设计出在酸性OER和HER中都表现出色的双功能金属氧化物，同时考虑到其表面结构在电化学条件下的动态变化，难度很大。

本研究提出的方案：本文提出了一种“闭环框架”，它巧妙地融合了三个关键环节：

前端（潜力催化剂探索）：

结合数据挖掘（利用DigCat平台）、表面态分析和微观动力学模拟。

中端（合成与电化学测试）：

对筛选出的候选材料进行实际合成和性能评估。

后端（先进表征）：

深入分析催化剂在反应前后的结构和化学变化。 这个框架从DigCat平台开始，到实验验证结束，并将实验结果反馈回平台，形成一个不断优化的闭环。

研究亮点与核心成果：

通过该框架，首次发现RbSbWO₆是一种极具潜力的双功能催化剂。

实验证明，RbSbWO₆在酸性OER和HER条件下均表现出优异的稳定性和催化性能。

值得注意的是，RbSbWO₆的性能超越了许多已报道的、未进行重大改性的非贵金属化学计量金属氧化物催化剂。

研究意义：

这些基于“数字催化平台 (DigCat)”的发现，确立了 RbSbWO₆作为一种高效的非贵金属化学计量双功能金属氧化物催化剂的地位。

更重要的是，它突显了这种整合的闭环工作流程在加速催化剂发现方面的强大能力。

该框架展示了数据驱动方法作为一种新的科学发现范式的重要性和高效率，并有潜力推广到其他电催化剂体系（如金属氮化物或碳化物）的设计中。

创新解决之处

本研究的创新解决之处在于构建并成功应用了一个系统性的、数据驱动的闭环设计框架，用于在挑战性的酸性环境中发现新型、低成本、稳定的双功能金属氧化物电催化剂。

核心创新点：

整合的闭环策略：

打破了传统“试错法”的局限，将计算筛选、理论预测、实验合成、性能测试和先进表征紧密结合，并形成了信息反馈机制。

前端探索的智能化：

利用DigCat平台进行大规模数据挖掘，初步筛选具有稳定性的候选材料；接着通过表面态分析（考虑反应条件下表面原子覆盖和重构）和微观动力学模拟，更精准地预测催化活性。这比单纯依赖本体性质预测更接近真实反应条件。

实验验证的靶向性：

基于前端的理论预测，进行针对性的材料合成与性能测试，大大提高了实验效率。

反馈机制的优化作用：

将实验数据（性能、稳定性、表征结果）反馈回DigCat实验数据库，不仅验证了理论预测的准确性，也丰富和优化了数据库，为后续的催化剂发现提供了更可靠的数据基础和模型指导。

针对酸性双功能催化剂的突破：

大多数非贵金属氧化物在酸性条件下稳定性差，且难以兼顾OER和HER活性。本研究专注于这一难题，通过理论预测（考虑表面Ov形成对HER稳定性的潜在贡献）和实验验证，成功筛选出RbSbWO₆。

发现新型催化剂RbSbWO₆：

这是一种之前未被报道用于酸性水分解的非Co、Fe、Pb、Mn基的金属氧化物。其优异的酸性双功能性能（特别是稳定性）为拓展低成本酸性电催化剂的材料库提供了新方向。

对催化剂表面动态行为的深刻洞察：

理论计算揭示了RbSbWO₆ (011)表面的不同侧面分别对OER和HER有活性：OER时表面被O*或OH*覆盖，HER时则形成H*覆盖或Ov（氧空位）。这种“双面”催化机制非常独特。

实验表征（如operando Raman, ex situ EPR）证实了理论预测的表面状态变化，如OER过程中W位点O*物种的生成和HER过程中Ov的形成，加深了对催化机理的理解。

研究亮点与数据支撑：

理论筛选与预测：

DigCat

平台基于体相Pourbaix图筛选出RbSbWO₆在酸性OER条件下稳定 (图2)。

表面Pourbaix图和微观动力学模型预测了RbSbWO₆ (011)表面A（O*覆盖）利于OER，表面B（11个Ov）利于HER，接近火山图顶峰 (图3)。

实验合成与性能验证：

成功合成了RbSbWO₆，并通过XRD、Raman、STEM、EDX、XPS等手段确认了其结构和组成 (图4)。

电化学测试显示其在0.5 M H₂SO₄中具有良好的OER (η₁₀ = 536 mV) 和HER (η₁₀ = 177 mV)      活性 (图5a)。

优异的酸性稳定性：

在0.5 M H₂SO₄中进行120小时OER测试，过电位仅增加89 mV；相比之下，在1 M KOH中约94小时即失效 (图5c, 5d)。HER在酸中120小时电位下降39 mV，远优于碱性条件。

在质子交换膜水电解槽 (PEMWE) 中表现良好，80℃下电流密度2 A cm⁻²时电压为3.08 V，并能稳定运行120小时 (图5g-i)。

稳定性机理的深入探究：

后测试表征（ICP-OES, XRD, Raman, STEM, XPS, XANES）对比了酸性和碱性条件下催化剂的变化。结果显示，酸性条件下RbSbWO₆结构和组成保持良好；而在碱性条件下，发生明显的Rb、Sb流失，表面重构形成无定形层，W相对富集 (图6, 7)。这与理论预测的稳定性趋势一致。

研究意义：

这项研究的意义不止于发现了一种新的催化剂，更在于：

提供了一种高效的催化剂发现新范式：

这种“计算预测-实验验证-数据反馈”的闭环策略，为加速新材料（尤其是针对苛刻反应条件的催化剂）的研发提供了强有力的工具和方法论。

拓展了酸性水分解催化剂的视野：

成功筛选并验证了RbSbWO₆这种非传统组分的金属氧化物作为高效稳定的酸性双功能催化剂，证明了在Co、Fe、Ni等常见元素之外寻找优异催化剂的可能性。

深化了对催化剂表面科学的理解：

强调了在电催化过程中考虑催化剂表面动态变化（如吸附物种、表面重构、缺陷形成）的重要性，这对于理性设计高性能催化剂至关重要。

好的，这是根据您提供的PDF文件内容，按照您要求的风格进行的中文解析：

前言

前言部分，作者为我们描绘了其研究思路的“导航图”：

开篇点明目标：电解水（包含析氧反应OER和析氢反应HER）是可持续获取氢气的有效途径。紧接着指出痛点：尽管低成本金属氧化物（MOs）作为贵金属催化剂的替代品备受关注，但它们在酸性介质中的应用，特别是稳定性方面，仍面临巨大挑战。许多原始的MOs在酸性HER条件下甚至被理论上认为是不稳定和无活性的。

随后，作者引入了一个关键视角：电化学条件下一些MOs表面结构的动态性质为理性设计酸性OER和HER双功能催化剂提供了机遇。然而，MOs的元素、价态和结构组合繁多，导致筛选空间巨大，传统试错法效率低下。作者特别提到，虽然一些计算工具（如其团队开发的DigCat平台中的“水相稳定性评估”模块）可以基于体相Pourbaix图预测OER稳定性，但由于未充分考虑电化学驱动的表面态变化（如HER条件下可能形成的氧空位Ov），几乎没有体相MOs被预测在酸性HER条件下稳定。

至此，作者亮出了他们的核心策略——一个整合了前端（潜在催化剂探索）、中端（合成与电化学测试）和后端（先进表征）的“闭环框架”。这个框架的核心逻辑是：

前端探索

：利用DigCat平台进行数据挖掘，初步筛选出在酸性OER条件下稳定的MOs。

对这些候选材料，进一步进行表面态分析和微动力学模拟，以评估其在HER条件下的真实稳定性和理论催化活性（考虑到表面覆盖物或缺陷形成）。

中端验证

：对有潜力的候选物进行实验合成和电化学性能测试。

后端解析

：通过先进表征手段研究催化剂在电化学测试前后的结构与化学变化。

闭环反馈

：将实验数据反馈到DigCat平台，用于验证和改进理论模型，从而加速未来催化剂的发现。

通过这种方法，作者首次将RbSbWO₆鉴定为一种有前景的双功能催化剂。理论计算表明，在酸性介质中，OER过程中其表面被O*或HO*覆盖，HER过程中则形成H*覆盖或氧空位。独特的是，稳定的RbSbWO₆表面结构的不同侧面分别催化OER和HER。这一发现不仅突破了传统非贵金属MOs（主要基于Co、Ni、Fe、Pb、Mn）在酸性水分解应用中的局限，也验证了其闭环框架在加速催化剂发现方面的强大能力。

逻辑链条：氢能需求  电解水核心技术 低成本MOs催化剂前景与酸性环境挑战（尤其HER稳定性） 传统筛选与预测的局限（忽略动态表面态） 提出整合数据挖掘、理论计算、实验验证与表征的闭环设计框架  以RbSbWO$_{6}$为例，理论预测其双功能潜力（OER下O*/HO*覆盖，HER下H*/Ov形成） 实验验证其优异的酸性稳定性与催化性能。

证据视觉链

详细总结文献中所有图的主要内容： 一共7个图

图1 材料发现的闭环设计流程：展示了该研究中用于发现非贵金属MOs电催化剂的闭环设计策略。该流程包含三个主要部分：(a) 前端探索（数据挖掘、电化学表面态分析、微动力学模拟）；(b) 中端合成与电化学测试；(c) 后端先进表征。强调了实验数据反馈回DigCat平台，以迭代更新和扩展数据集，加速催化剂发现。

图2 RbSbWO₆催化剂的识别：(a)展示了在DigCat平台中识别稳定MOs的工作流程，并列举了Sb基MOs的例子。(b)给出了Rb−Sb−W−O体系的体相Pourbaix图。(c,d)分别总结了在OER和HER条件下，不同pH值下的最大吉布斯自由能变（催化剂的识别：(a)展示了在DigCat平台中识别稳定MOs的工作流程，并列举了Sb基MOs的例子。(b)给出了Rb−Sb−W−O体系的体相Pourbaix图。(c,d)分别总结了在OER和HER条件下，不同pH值下的最大吉布斯自由能变（\Delta G{pbx_max}$）和稳定物相。结果表明RbSbWO$_{6}$在酸性OER条件下稳定，但在体相HER条件下不稳定（未考虑表面态）。

图3 RbSbWO₆的表面态与活性分析

：(a) 计算了不同RbSbWO₆表面结构的表面能，确定了（011）面为最稳定表面（结构A和B）。(b) 展示了不同吸附物在催化剂表面的吸附位点。(c, d) 分别给出了结构A和结构B的表面Pourbaix图，预测了在不同电位和pH下最稳定的表面覆盖状态（如O*、OH*、H*覆盖或氧空位Ov）。(e, f) 通过微动力学模型（火山图）评估了OER和HER的理论催化活性，结果表明考虑表面态后，RbSbWO₆在OER和HER中均表现出接近火山顶点的优异活性。

图4 RbSbWO₆的物相表征与电化学性能评估

：(a) XRD图谱证实了RbSbWO₆的成功合成。(b) 拉曼光谱给出了材料的化学键振动信息。(c, d) 不同放大倍率下的HAADF-STEM图像展示了材料的微观形貌和清晰的晶格条纹，指出(011)面可能暴露。(e) STEM-EDX元素分布图显示Rb, Sb, W, O元素均匀分布。(f) XPS谱图（全谱及Rb 3d, W 4f, Sb 3d, O 1s高分辨谱）进一步确认了元素组成和价态。

图5 RbSbWO₆的电化学性能

：(a, b) 分别展示了催化剂在0.5 M H${2}$SO${4}$和1 M KOH电解液中的LSV曲线。(c, d) 计时电流法测试结果显示了其在酸性和碱性条件下OER和HER的稳定性，酸性条件下稳定性更优。(e, f) 将RbSbWO₆的酸性OER和HER性能（过电位的酸性OER和HER性能（过电位\eta{10}$和稳定性时长）与文献报道的其他未改性非贵金属MOs进行对比，显示其具有领先的双功能性能。(g, h, i) 展示了RbSbWO₆在质子交换膜水电解槽（PEMWE）中的应用性能，包括不同温度下的电压−电流响应、不同电流密度下的快速响应以及在0.5Acm在质子交换膜水电解槽（PEMWE）中的应用性能，包括不同温度下的电压−电流响应、不同电流密度下的快速响应以及在0.5Acm^{-2}$电流密度、80 °C下的120小时稳定性测试。

图6 电解后催化剂的表征（结构与形貌）

：(a) 对比了原始及在酸性和碱性条件下进行HER和OER测试后的催化剂的XRD图谱，显示酸性测试后结构保持良好，碱性测试后晶体结构有所劣化。(b) 拉曼光谱也显示碱性测试后出现新物相的迹象。(c-f)      HAADF-STEM图像展示了不同条件下测试后台催化剂的微观形貌，酸性测试后台催化剂晶体结构保持完好，表面仅有极薄的畸变层；而碱性测试后台催化剂表面出现较厚的无定形层。(g, h) 对比了在酸性和碱性条件下测试后台催化剂表面区域的Rb:W和Sb:W元素比例，显示酸性条件下比例接近1，碱性条件下表面W相对富集。

图7 电解后催化剂的X射线光谱表征（电子态与表面化学）

：(a-c) 对比了不同条件下测试后台催化剂的XPS高分辨谱图（Sb 4d + W 4f, Rb 4d, Sb 3d 和 O 1s），结果显示酸性测试后台催化剂表面化学状态与原始样品基本一致，而碱性测试后Sb的价态有所降低。(d-f) 对比了催化剂在电解前后的XANES谱图（Sb L${3}$边和W L${3}$边，TEY模式），进一步证实酸性条件下测试后表面电子结构和化学环境变化不大，而碱性条件下测试后表面Sb物种发生变化（如出现低价Sb），W的[WO$_{6}$]八面体畸变增加。

最后点评

这篇JACS文章是一项组织严密且具有重要启发意义的工作。它成功地构建并应用了一个从理论预测到实验验证再到机理分析的闭环研究框架，高效地从庞大的材料库中筛选并鉴定出了一种新型的、在酸性条件下表现出优异双功能（OER和HER）催化性能的非贵金属氧化物RbSbWO₆。

亮点与贡献：

创新的研究范式

：提出的“数据挖掘（DigCat平台）+     表面态理论分析 + 微动力学模拟 + 实验验证与表征”的闭环策略，为加速新型电催化剂（尤其是针对苛刻反应条件）的发现提供了一个强有力的“路线图”。

重要的新材料发现

：RbSbWO₆的发现突破了传统上对非贵金属氧化物在酸性电解水（特别是HER）中稳定性的悲观认知，为开发低成本、高效、耐酸双功能电催化剂开辟了新的可能性，其性能在未改性的同类化学计量MOs中处于领先地位。

理论与实验的紧密结合

：文章不仅通过理论计算预测了RbSbWO₆的潜在活性和稳定性（特别强调了电化学条件下表面态变化的重要性，如O*、HO*覆盖对OER的促进和H*覆盖、氧空位对HER的贡献），还通过系统的实验表征（包括原位/非原位谱学）证实了这些理论预测的合理性，尤其是其在酸性环境中优于碱性环境的稳定性。

对实际应用的探索

：初步的PEMWE器件测试结果也显示了RbSbWO₆的实际应用潜力。

潜在的思考与展望：

闭环的深度

：虽然文章提出了闭环的概念，并且实验数据会反馈到DigCat平台，但未来如何使这种反馈更智能地指导和优化前端的理论预测模型（例如，通过机器学习修正Pourbaix图或表面吸附能的计算参数），是实现真正高效迭代的关键。

性能的进一步提升

：文中对比的是“未经过主要改性”的MOs。RbSbWO₆作为一种本征性能优异的材料，未来通过常见的催化剂工程策略（如缺陷工程、形貌调控、异质结构建、元素掺杂等）进一步提升其活性和稳定性，潜力巨大。

构效关系的深化

：虽然指出了(011)面的活性，但对于不同晶面、特定活性位点（如Rb, Sb, W位点在OER/HER中的具体贡献和反应路径）的原子级理解仍有探索空间。表面氧空位（Ov）的具体角色和形成机制也值得更深入研究。

工业化挑战

：尽管实验室表现优异，但催化剂的长期运行稳定性（数千小时级别）、抗杂质能力以及规模化制备成本等仍是走向工业化应用前需要克服的障碍。

普适性与拓展性

：这种“数据驱动结合表面态分析”的策略是否能成功推广到其他更复杂的催化体系（如金属氮化物、碳化物等，文中已提及）或其他重要的电化学反应中，值得期待。

总而言之，这项工作不仅为酸性水分解催化剂的设计提供了新的候选材料和深刻见解，更重要的是，它展示了一种高效整合理论计算与实验科学的数据驱动研究新范式，对整个催化科学领域的发展都具有借鉴意义。

文献引用： [1] 文章详细信息：X. Jia, Z. Zhou, F. Liu, T. Wang, Y. Wang, D. Zhang, H. Liu, Y. Wang, S. Ye, K. Amezawa Zhang, H. Liu, Y. Wang, S. Ye, K. Amezawa, L. Wei, H. Li, Closed-Loop Framework for Discovering Stable and Low-Cost Bifunctional Metal Oxide Catalysts for Efficient Electrocatalytic Water Splitting in Acid.J. Am. Chem. Soc.2025, Article ASAP. https://doi.org/10.此处按原文引用。)

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