DOI：10.1016/S1872-2067(25)64685-7

近日，《催化学报》在线发表了扬州大学/昆明理工大学冯立纲教授团队在质子交换膜（PEM）电解水领域的最新研究成果。该工作通过理论导向设计，成功构建了Ir/MoSe₂@MCS双功能催化剂，通过功函数差异自发诱导内置电场，显著提升了催化性能。论文第一作者为张冰洁，通讯作者为冯立纲教授。

      随着全球对绿色能源需求的增长，PEM电解水技术因其高效、环保的特性成为绿色制氢的关键技术。然而，传统电解槽需分别使用Ir基和Pt基催化剂，成本高昂且工艺复杂。开发兼具高效OER和HER活性的双功能催化剂是当前研究的重点，但其性能提升仍面临巨大挑战。

      本研究通过功函数差异诱导的内置电场效应（ΔՓ = 0.13 eV），创新性地开发了具有双功能催化活性的Ir/MoSe₂@MCS催化剂。基于Ir与MoSe₂之间的功函数差异，该催化剂在界面自发形成内置电场，有效调控了电子结构，显著提升了催化活性。在酸性条件下，Ir/MoSe₂@MCS表现出优异的OER性能（252 mV@10 mA cm^-2）和HER性能（28 mV@10 mA cm^-2），其质量活性较商用Ir/C提升了10倍以上。该催化剂在实际应用中展现出卓越的性能，PEM电解槽在1.87 V的低电压下即可实现2 A cm^-2的高电流密度，并稳定运行30小时以上，整体性能显著超越传统的Pt/C||IrO₂体系。

图1. Ir/MoSe₂界面内置电场形成机制。

要点：

DFT计算揭示了Ir与MoSe₂界面因功函数差异（ΔՓ=0.13 eV）引发的自发电荷转移现象。通过平面平均电势分析可见，电子从Ir纳米颗粒向MoSe₂载体定向迁移，形成空间电荷区并建立内置电场。差分电荷密度图谱中，界面处Ir原子周围呈现显著的电子耗尽（黄色区域），而MoSe₂表面出现电子富集（蓝色区域），这种非对称电荷分布直接调控了Ir活性中心的电子结构，使其d带中心下移0.06 eV，减弱了含氧中间体的吸附强度，为后续双功能催化奠定电子结构基础。

图2. 酸性环境中OER/HER电催化性能突破

要点：

在0.5 M H₂SO₄电解液中，Ir/MoSe₂@MCS展现出优异的双功能活性。OER过程中仅需252 mV过电位即可驱动10 mA cm^-2电流密度，比商业IrO₂催化剂（340 mV）低88 mV；HER性能更是超越基准Pt/C，在28 mV超低过电位下达到相同电流，其Tafel斜率（30 mV dec^-1）揭示反应遵循Volmer-Tafel机制。特别值得关注的是，当基于Ir质量计算时，该催化剂的OER质量活性高达124.41 A g^-1_Ir，是传统Ir/C的10.6倍，这种"少铱高效"的特性大幅降低了材料成本。

图3. 稳定性分析与PEM电解槽的工业级运行

要点：

长期测试后的Mapping显示Ir、Mo、Se元素仍保持均匀分布，无团聚现象，XPS分析证实Ir的氧化态（Ir⁴⁺/Ir⁰）与初始值基本一致，Mo 3d结合能维持稳定，表明催化剂在强酸条件下具有优异的化学稳定性。将Ir/MoSe₂@MCS同时作为阴阳极组装的PEM电解槽，在25℃条件下展现出卓越的工业化潜力。1.87 V槽电压即可实现2 A cm^-2的高电流密度，远低于商用Pt/C||IrO₂体系。持续30小时的稳定性测试中，在1.65 V恒定电压下电流密度衰减可忽略不计。这种稳定性源自MoSe₂载体对Ir的电子锚定效应以及碳的支撑作用。

图4. 理论计算揭示电子调控本质

要点：

通过构建Ir/MoSe₂界面模型进行第一性原理计算，发现内置电场诱导的电子重排使Ir活性位点呈现缺电子态，这直接改变了决速步的能垒分布：OER过程中，IrO₂/MoSe₂界面将*O→OOH决速步骤的吉布斯自由能为1.65 eV；HER方面，Ir位点的氢吸附自由能（ΔG_H），几乎满足理想催化剂的零吸附能要求。晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析进一步显示，Ir-O键的反键轨道填充增加，导致中间体吸附能减弱，这种电子"双向优化"机制是同时提升OER/HER活性的关键。

本研究通过系统的实验表征和理论计算，完整揭示了功函数诱导内置电场在双功能催化中的核心作用。在XPS分析中发现，MoSe₂在OER过程中会发生优先氧化形成Mo保护层，这种"牺牲保护"机制有效抑制了Ir活性位点的过度氧化，使其Ir⁴⁺含量稳定在65.98%。同时，界面电荷转移促使Ir的d带中心下移，这一电子结构调整被DFT模拟证实可显著优化中间体吸附强度。OER过程中，Ir会被氧化为IrO₂（活性物质），IrO₂/MoSe₂界面的*O→OOH决速步能垒明显比纯IrO₂低；对于HER，Ir位点的ΔG_H近乎理想值0 eV。这种双功能协同机制在分子尺度展现为：OER时MoSe₂通过电子补给防止Ir活性位点失活，HER时内置电场加速质子耦合电子转移，二者共同实现了"1+1>2"的催化效应。

1. 功函数差异驱动：理论设计Ir/MoSe₂@MCS催化剂，实现功函数差异驱动的内置电场效应。显著优化电子转移路径，解决传统催化剂电子传导滞后问题。

2. 双功能高效催化：在酸性介质中同时实现超低过电位（HER: 28 mV、OER: 252 mV@10 mA cm^-2），远超商用Pt/C和IrO₂。

3. 低载量高稳定：Ir载量仅0.23 mg cm^-2，PEM电解槽在1 A cm^-2下稳定运行超30小时，突破工业应用瓶颈。

4. 该策略可拓展至其他贵金属-载体体系，助力绿色氢能规模化应用。