在水电解催化剂领域，负载型铂基催化剂一直表现出优异的催化活性，然而不同氧化态铂物种（尤其是较高氧化态）的催化机制仍不明确。2025年8月29日，中国石油大学（北京）刘坚、李振兴、孙源卿团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Photoinduced Oxygen Species Construct Pt-O Active Sites:Enhancing Proton Transport Dynamics for Efficient Hydrogen Electrode Reactions”的研究论文，团队成员刘培林、孙源卿为论文共同第一作者，孙源卿、中国石油天然气股份有限公司Xu Hua、西湖大学王寓、李振兴、中国科学院高能物理研究所刘云鹏、刘坚为论文共同通讯作者。

该研究开发了一种紫外光诱导活性氧物种（ROS）策略，在氮掺杂中空碳球（NHCS）上构建了均匀分散的PtOₓ纳米团簇（PtOₓ/NHCS）。原位拉曼光谱和密度泛函理论DFT计算表明，氮掺杂碳基质通过吸附含氧物种优化了质子传输路径。此外，PtOₓ团簇中Pt–O单元的独特电子结构加速了活性位点上质子吸附与脱附能力的转变。因此，该工程化催化剂在氢电极反应中表现出卓越的双功能性能：在碱性和酸性条件下分别仅需17 mV和18 mV的超低过电位即可实现10 mA·cm⁻²的析氢反应（HER）电流密度，同时在η=50 mV时实现了1345.56 mA·mg⁻¹的优异氢氧化反应（HOR）质量活性。此外，所观察到的HER与HOR之间的动力学互补性为质子传输机制的可能性提供了有力证据。

解决日益严重的环境污染和能源短缺问题是21世纪的核心议题之一。将风能、太阳能和潮汐能等可再生能源以化学键形式储存于化学燃料中是一种可行的解决方案。氢气（H₂）具有极高的能量密度，可通过水电解产生，是一种真正的无碳能源。铂基催化剂目前是工业催化的基石，广泛应用于氧还原反应（ORR）、氢氧化反应（HOR）、CO和NOₓ去除、烷烃重整以及析氢反应（HER）等多种催化过程。过去十年中，研究人员开发了多种非铂基催化剂以促进HER，但铂基催化剂在HER中仍保持其独特优势。铂的稀缺性仍是一项未解决的挑战，这凸显了探索铂催化剂本征活性以提高其利用效率的迫切性。

电催化剂活性的增强主要依赖于通过针对性降低能垒来加速决速步骤（RDS）的动力学。对于质子耦合氢电极反应（如HER和HOR），酸性和碱性环境之间不同的动力学需求要求精准定制催化剂结构。HER在碱性电解质中表现出比酸性电解质低12个数量级的交换电流密度。这一动力学差异长期归因于需要高能量水分解的Volmer步骤限制。传统观点认为，缓慢的水活化导致界面H⁺浓度不足，从而推动了大量构建羟基促进位点的研究。

近期研究提出了一个理论框架，表明水分解为H⁺和OH⁻表现出超快的动力学特性，其在电极界面的可逆过程可在亚微秒时间尺度内达到动态平衡。这有效解决了传统H⁺浓度不足的瓶颈问题。基于这一理论突破，研究焦点已转向通过活性位点的电子结构调控来优化氢中间体（H*）的吸附/解吸自由能。同时，构建异质界面以增强活性位点的氢溢流效应，已成为改善析氢动力学的有效策略。在水系体系中，H⁺迁移类似于导体中的电子转移，作为一种电荷补偿机制，其根本支撑是经典的导电网络。值得注意的是，催化剂的界面微环境，特别是水分子的排列和氢键网络的特征，已成为一个新兴的研究前沿。实验证据表明，优化氢键网络的连续性可以增强质子传输效率，从而显著提升宽pH范围内的催化性能。

图.PtOₓ/NHCS、Pt/NHCS、PtOₓ/NC、Pt/C和NHCS在碱性介质中的HER性能：a)LSV曲线。b)在过电位0.1 V时PtOₓ/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C的质量活性。c)Tafel斜率，及d)各种Pt基HER催化剂在1 M KOH中的Tafel斜率和过电位（j=10 mA·cm⁻²）比较。在酸性介质中：e)PtOₓ/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C在0.5 M H₂SO₄溶液中具有相同几何表面积的HER极化曲线。插图为过电位（j=10 mA·cm⁻²）。f)按工作电极上Pt负载量归一化的PtOₓ/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C的HER极化曲线。插图为电流密度1 A·cm⁻²时的质量活性。g)相应Tafel斜率。h)PtOₓ/NHCS与以往报道的其他Pt基催化剂在0.5 M H₂SO₄溶液中的HER活性比较。电催化剂的HOR性能：i)PtOₓ/NHCS、Pt/NHCS和Pt/C在H₂饱和的0.1 M KOH电解液中的LSV曲线。j)PtOₓ/NHCS在不同转速测试（400–2500 rpm）下的LSV曲线；插图为相应的Koutecky–Levich图。k)三种样品动力学电流密度的Tafel图。l)三种样品的微极化区域。

总之，该研究通过紫外照射策略将含有Pt–O结构单元的PtOₓ纳米团簇均匀沉积在氮掺杂中空碳壳上，使催化剂在碱性和酸性介质中均表现出卓越的HER和HOR双功能催化性能。EPR和原位DRIFTS分析证实，紫外照射诱导碳载体表面生成活性氧物种，促进了金属Pt氧化成高度分散的PtOₓ纳米团簇。XPS和XAS表征表明，PtOₓ中的Pt物种以+2.98的高氧化态存在，这归因于Pt–O键之间显著的电子耦合效应。这种电子耦合进一步增强了Pt–O键与碳载体之间的电子调控作用。

PtOₓ/NHCS催化剂表现出显著的pH普适性能：在1 M KOH中仅需17 mV过电位即可实现10 mA·cm⁻²的HER电流密度，质量活性达2.73 A·mg⁻¹（较商业Pt/C提高4倍）；在0.5 M H₂SO₄中TOF值比Pt/C高25倍。DFT计算阐明，Pt–O单元动态调节ΔGH*，其随氧位点上H*覆盖度的增加而逐渐演变，显著降低了氢吸附/脱附的动力学能垒。原位XAFS证实，在析氢电位下同时存在Pt–Pt和Pt–O键。PtOₓ中的Pt–O单元使Pt发生梯度价态变化，从而同时优化了氢的吸附和脱附。

这种独特的电子构型与氮掺杂碳载体优化的质子传输路径协同作用，实现了出色的HOR性能：在50 mV过电位下电流密度达2.68 mA·cm⁻²，质量活性为1345.56 mA·mg⁻¹。基于上述结果，该研究合理地将质子传输效率确定为氢电极反应的关键决定因素之一，其中溶剂层与活性位点之间溶剂依赖的双向质子传输直接决定了氢电极过程的反应动力学。氢电极反应表现出可逆的质子传输特性：溶剂层向双电层提供持续的质子流，而电子优化的活性位点则促进质子与氢气之间的高效双向转化。这种通过协同优化质子传输网络和界面电荷转移动力学来设计高性能双功能电催化剂的方法具有创新性。