CSR：电解水催化材料原子级调控！|催化剂|催化材料|原子级|新型高温超导体|电解水|配位

氢能是未来清洁能源体系的重要组成，也是实现深度脱碳目标的关键能源载体。电解水制氢作为绿氢规模化供应的核心技术路线，其推广进程长期受制于过电位偏高、电耗过大以及催化部件耐久性不足等问题，成本瓶颈难以突破。面向该困局制约，亟需开发兼具高活性与高稳定性的电催化材料。其表面原子的排布方式、协同机制及工况下的演化规律，在很大程度上决定着电解水技术的性能边界。换言之，当前研究重点已经逐渐从“能否稳定制备单原子位点”推进到“如何按反应瓶颈定制原子中心、配位构型、空间位置以及多位点协同关系”。这种转变使催化材料设计从经验筛选走向性能与结构描述符驱动的理性调控。

图1 总览图（ToC）

近日，北京科技大学张跃院士、康卓教授团队在化学领域顶级综述期刊Chemical Society Reviews发表了题为“Atomic customization for water electrolysis”的长篇综述论文，对电解水催化剂“原子级定制”这一前沿方向进行了全景式梳理。第一作者为Xin Wang、Sirui Yang、Yingcong Liu。全文共计119页、8大章节、十余万字，覆盖从单原子配位工程、锚定位点设计、双原子集成、跨尺度协同耦合、多尺度动态结构演化，到AI辅助理性设计与工业化应用推进的完整链条，并提出贯穿全篇的主线判断：“尺度拓展—基元协同—结构演化”。

图2 催化材料“尺度拓展—基元协同—结构演化”发展趋势

核心亮点

亮点一：全景式脉络框架

首次以“尺度拓展、基元协同、结构演化”三条主线，贯通从单原子到多尺度集成、从静态构效到动态服役的完整研究链条。

亮点二：六大设计维度全覆盖

单原子配位工程、锚定位点工程、双原子匹配集成、跨尺度协同耦合、多尺度动态结构演化与AI辅助理性设计。

亮点三：动态构效关系新认知

基于系列原位表征，全面梳理价态演变、配位重构、单原子—纳米团簇互变等工况动态行为，重构活性—稳定性关联。

亮点四：AI驱动理性设计范式

围绕化学组成筛选、基底类型选择、配位结构优化三方面，系统厘清人工智能在原子级催化材料理性设计中的变革性作用。

亮点五：产业化落地路线探讨

直面实验室与工业电解槽之间的鸿沟，提出“活性—稳定性—制造性—经济性”四维协同的服役导向设计原则，强调“全寿命周期动态构效关系”研究范式。

内容一：原子配位工程：以非对称性调控电子结构

从活性位点构型的底层逻辑出发，围绕单原子位点的配位结构调控，综述系统梳理平面型、轴向型与混合型不对称配位基元，阐明配位数变化、配位原子替换与配位几何畸变三大设计原则对局域电荷分布、电子轨道填充及中间体吸附强度的调控机制。

图3 非对称配位构型设计

内容二：原子锚定工程：突起、取代与边缘位点

依据原子基元的空间位置，将单原子划分为表面突起、晶格取代与边缘位点三类形态，比较其金属—载体相互作用与局域电子环境的差异，揭示三类位点在活性与稳定性上的不同取向，强调反应类型、服役条件与使用规模的综合权衡是原子位点定制的关键。

图4 原子位点锚定位置

内容三：双原子匹配集成：协同分工突破单原子局限

遵循“双优于单”的设计原则，将双原子催化剂划分为同核、异核与双单原子三类，阐明原子间成键、相对距离与元素匹配对双位点协同的调控规律，并总结层间双原子、Janus结构与外源原子—基底原子整合型等新型构型的拓展趋势。

图5 双原子类型、配位、间距与新型结构

内容四：跨尺度协同耦合：从原子到系统的设计升维

图6 单/双原子与纳米团簇/颗粒跨尺度协同

系统阐明单原子/双原子与纳米团簇、异质结构及物理场的跨尺度集成，分析短程位点协同与长程电子相互作用、异质界面效应（内建电场、定向电荷转移）以及应变、电场、磁场耦合对多步反应动力学的全方位优化作用。

图7 原子基元与异质结构基底集成构型的跨尺度协同定制示意图

图8 原子基元与物理场耦合的跨尺度协同定制示意图

内容五：多尺度动态结构演化：工况下的响应重构

超越传统的静态分析框架，从局域配位变化、原子迁移与聚集、以及相转变三个维度，揭示催化剂在真实工况下的价态变化、配位重构、原子迁移与相变行为，探讨锚定稳定性与结构柔性之间的平衡，为“智能催化剂”的全寿命周期设计奠定理论基础。

内容六：AI辅助理性设计：数据驱动的范式跃迁

聚焦活性中心筛选、基底选择与配位环境调控三个维度，系统总结人工智能在电解水催化剂设计中的应用，阐述本征描述符建模、渐进式学习、等变神经网络等方法的原理与成效，指出AI正将催化剂设计从经验试错推向数据与物理原理共塑的理性定制。

内容七：迈向工业电解水：跨越实验室—产业鸿沟

面向碱槽、阴离子交换膜电解槽、质子交换膜电解槽等工业装置，将讨论重心从单一位点的本征活性提升，升维至“活性—稳定性—制造性—经济性”四维协同的服役导向设计，分析活性位点组成、配位环境与金属—载体相互作用对催化剂活性—稳定性平衡的调控，剖析规模化合成、高电流密度服役与设备级评价体系面临的挑战，提出从“初始活性最优化”向“全寿命周期服役稳定性”转变的设计范式。

相关工作

该团队最近发表在Advanced Materials的一项工作，即是通过理论计算辅助思路，合理设计并构建了轴向双原子桥联协同结构用于调控电解水催化级联动力学过程，亦是作者观点与见解的一次典型实践。

通过设计性地解耦催化任务，突出的Ru原子能够有效捕获水分子反应物和羟基中间体，而晶格限域的Co原子则电子活化相邻S位点以优化氢的吸附和脱附。这种功能分工而几何协同的构型代表了一种大幅降低决速步骤能垒的有效途径。强烈的Ru-S-Co轨道耦合诱导Ru的d带中心上移，并丰富了S-p轨道费米能级附近的态密度，进而显著放大了Ru-S双位点的本征活性。这种多位点相互作用的催化基元还能够提高自由水比例，促进界面水重取向，从而更易触发水还原反应。该电极实际适用性在AEMWE电解槽中得到验证。达到1000 mA cm-2的工业电流密度基准仅需1.79 V的超低电压，并且可获得超过500小时优异长期耐久性而无明显衰减。本工作为原子级协同效应定制和电子相互作用调控以增强级联动力学过程、追求高效水电解效率提供了重要启示。