近日，我院光学工程学科徐晶教授和研242班硕士研究生叶代飞联合哈尔滨师范大学赵景祥教授团队、东北林业大学刘松教授团队，在电催化材料设计与反应机理研究方面取得系列进展。相关成果分别发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院1区TOP，IF=13.2）和《Journal of Colloid and Interface Science》（中科院1区TOP，IF=9.7）。
在电催化硝酸盐还原制氨（NO3RR）研究中，针对反应动力学缓慢和中间体吸附不足等关键问题，研究团队提出了由单原子活性位点向双活性位点调控的新策略。通过在FeS2材料的硫空位上锚定过渡金属原子，构建了原子级分散的M–Fe双活性位点，实现了对关键反应中间体的协同吸附与活化。基于密度泛函理论高通量筛选，团队筛选出最优催化剂Mn/FeS2，其极限电位低至−0.33 V。实验结果进一步验证了理论预测，该催化剂实现了92.61%的法拉第效率和115.85 mmol h-1g-1的氨产率。研究表明，双活性位点能够有效增强反应物吸附并优化反应路径，机器学习分析进一步揭示了电荷转移与位点间距是影响催化性能的关键因素。
在另一项工作中，研究团队提出了新型金属–非金属协同催化对（Integrative Catalytic Pairs, ICPs）设计策略，并将其应用于过氧化氢电合成反应。通过在二维C2N材料中引入金属与主族元素，构建了具有电子不对称特征的双位点结构，实现了对关键中间体吸附行为的精准调控。计算结果表明，所设计的催化体系具有良好的稳定性和显著的协同效应，其中Cu–B/C2N催化剂表现出优异性能，其理论过电位低至0.00 V。进一步分析表明，金属位点与非金属位点在反应过程中分工协同，可有效调控反应路径并提升选择性。机器学习结果进一步揭示了几何结构与电子性质对催化性能的协同调控作用。
上述研究工作从双活性位点调控到新型协同催化对构建，系统揭示了多位点协同作用在电催化反应中的重要机制，并结合理论计算与机器学习方法建立了结构与性能之间的定量关系，为高效催化材料的理性设计提供了新的思路和方法。
论文链接：
1.Haitao Sun, Jixuan Li, Daifei Ye, Jing Lu, Jing Xu*, Zhenghaoyang Zhu, Lei Chen, Shuying Zang*, Jiawei Dong, Xueshi Song*, Song Liu*, Jingxiang Zhao*. Regulating active sites from single to dual centers to enhance electrocatalytic nitrate reduction to ammonia on FeS2 materials.Chemical Engineering Journal. 2026, 536: 176015.https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176015
2.Zhenghaoyang Zhu, Daifei Ye, Zhigang Liao*, Lei Chen, Jing Xu*, Jingxiang Zhao. High-throughput design of metal–nonmetal integrated catalytic pairs on nitrogenated holey graphene for electrocatalytic hydrogen peroxide production.Journal of Colloid and Interface Science. 2026, 717: 140393.https://doi.org/10.1016/j.jcis.2026.140393
(文：徐晶 、叶代飞，审核：姚立健，终审：陈培金）
