对于氢燃料生产，水电解特别是海水的析氢反应 (HER) 是最有效、清洁和可持续的途径之一。高电流密度（≥1 A cm-2）是海水分解电催化剂大规模工业应用的关键因素。然而，目前大多数报道的催化剂仅在低电流密度 (≤0.2 A cm-2) 下表现出优异的活性，且长期运行稳定性有限。虽然铂基催化剂（如 Pt 纳米线或箔）能够提供高电流密度 (5 A cm–2)，但是它们资源稀少且价格昂贵。因此，迫切需要开发具有高电流密度的低成本电催化剂。
与sp2杂化的碳材料（如石墨烯、碳纳米管和富勒烯）不同，石墨炔 (GDY)具有 sp 杂化碳原子，可以与其他原子键合形成如 C-N、C-Co、C-Pt、C –Cu、 C–F、 C–S和 C-Pd 等键，从而促进了界面电子转移，可以显着提高电化学催化活性。尽管如此，基于 GDY 的HER催化剂的电流密度仍然低于 0.2 A cm-2，这可能是由于相对活性位点有限，活性材料的电导率低，以及催化剂结构设计等等。
最近有研究报道，界面中的化学键桥接会触发界面之间更快的电子转移，从而可以优化 HER 自由能并导致反应动力学加速。然而，迄今为止，界面化学键诱导了新的本征活性位点的形成，并促进稳定、高电流密度析氢的机制尚未见报道。
有鉴于此，华中师范大学郭彦炳教授团队通过界面上“sp C-O-Mo 杂化”的合理设计，在石墨二炔 (GDY) 和氧化钼 (MoO3) 之间构建了 C-O-Mo 键，制备出一种三维自支撑石墨二炔/氧化钼 (GDY/MoO3) 催化剂，用于高效的海水析氢反应。所制备的GDY/MoO3在HER反应中表现出高电流密度（> 1.2 A cm-2），优异的催化活性和耐久性。
研究成果以“Interfacial sp C–O–Mo Hybridization Originated High-Current Density Hydrogen Evolution”为题，发表在国际权威期刊JACS上。
要点一
DFT理论计算表明，GDY/MoO3中独特的界面“sp C-O-Mo杂化”促进了新型活性位点（非氧空位）的产生，使其活性位点数量爆炸式增加（比纯MoO3多8倍） ，这是实现高电流密度的关键因素。此外，界面“sp C-O-Mo 杂化”促进电子从 GDY 转移到 MoO3，进一步导致 HER 期间更有效的电子注入（比 MoO3 高 25 倍）和 H2O 分子的解离过程（比 MoO3 小 0.33–0.83 eV）。
图2. GDY-MoO3催化剂界面键合的DFT理论计算
令人印象深刻的是，在没有任何搅拌的情况下，在 GDY/MoO3 上实现了非常快速和连续的析氢（电流密度≥1.2 A cm-2）。相比之下，由于巨大的气泡形成，20% Pt/C 上的HER 反应却立即停止。
值得注意的是，由于具有良好的亲水性和三维自支撑结构，获得的 GDY/MoO3 可直接用于 HER 而不需进一步处理，并且在天然海水中对 HER 仍具有高催化活性。
图3. GDY-MoO3催化剂的HER电催化性能表征
这些发现不仅揭示了基于石墨炔的催化剂具有在高电流密度下析氢的潜力，还表明通过合理的界面工程满足工业大规模应用的需求，从而为实现工业规模制氢提供了新的途径。
Yuan Yao, et al, Interfacial sp C−O−Mo Hybridization Originated High-Current Density Hydrogen Evolution, J. Am. Chem. Soc., 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c02831. https://doi.org/10.1021/jacs.1c02831
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