摘要：水电解制氢是未来清洁能源的重要路径，然而，在酸性条件下可同时进行析氧（OER）与析氢（HER）的双功能低成本催化剂仍极为稀缺。2025年05月20日，日本东北大学李昊团队（DigCat团队）携手悉尼大学魏力团队在Journal of the American

水电解制氢是未来清洁能源的重要路径，然而，在酸性条件下可同时进行析氧（OER）与析氢（HER）的双功能低成本催化剂仍极为稀缺。2025年05月20日，日本东北大学李昊团队（DigCat团队）携手悉尼大学魏力团队在Journal of the American Chemical Society上发表题为：“Closed-Loop Framework for Discovering Stable and Low-Cost Bifunctional Metal Oxide Catalysts for Efficient Electrocatalytic Water Splitting in Acid”的文章。该研究提出了一个闭环框架，用于发现适用于酸性电催化水分解稳定且低成本的双功能金属氧化物催化剂。该框架集成了前端的催化剂筛选、中端的合成与电化学测试、后端的先进表征，涵盖数据挖掘、表面态分析、微观动力学分析及实验验证等关键步骤。通过该方法，首次发现RbSbWO6具有优异的酸性OER与HER催化性能，并在实验中验证其非贵金属本征结构的高稳定性与高活性。该工作基于自研的“数字催化平台”（DigCat），展示了数据驱动闭环策略在电催化剂快速发现中的巨大潜力，为设计其他体系如氮化物或碳化物催化剂提供了新范式。

研究亮点

1. 提出并成功实践了一套闭环式催化剂设计框架，将数据挖掘、电化学表面态分析、微观动力学建模、实验合成与性能验证有机结合，显著提升了高性能催化剂的筛选效率。

2. 借助李昊教授团队领衔开发的“，实现了从数据挖掘、理论预测到实验验证的全流程闭环框架，构建了数据驱动材料研究的新范式。

3. 突破传统元素体系限制，超越常规的Co、Ni、Fe等体系，首次发掘出RbSbWO6这一非贵金属氧化物材料在酸性OER和HER条件下的结构稳定性，扩展了催化材料的探索边界。

4. 首次实验证实RbSbWO6在酸性环境中同时具备优异的OER与HER活性，实现真正意义上的双功能催化，为酸性水分解提供了全新非贵金属候选材料。

图文导读

1. 工作流程

本研究构建了一套闭环式催化剂挖掘流程，包含三大阶段：前端催化剂筛选（图1a）、中端性能测试（图1b）和后端高级表征（图1c）。首先，利用DigCat平台中的“水相稳定性评估（Aqueous Stability Assessment）”模块，对大量金属氧化物进行数据挖掘，筛选出在酸性OER和HER条件下稳定的非贵金属氧化物候选材料，并结合表面态分析与微观动力学分析评估其理论活性与稳定性，初步确定可行的催化剂。随后，采用如固相法和水热法等方法合成候选材料，并在电解水条件下测试其OER和HER性能，采集稳定性测试前后的样品。通过同步辐射、透射电子显微镜（TEM）及X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，深入分析电化学反应前后的结构与成分变化。最后，将实验数据反馈至DigCat平台，与已有数据库进行对比验证，并用于优化体相Pourbaix图预测，持续提高平台预测能力与筛选效率。该闭环流程实现了从理论预测到实验反馈的全链条整合，大幅提升了高效催化剂的发现速度。

【图1】用于挖掘酸性水分解的非贵金属氧化物电催化剂的闭环设计流程图

2. 数据挖掘稳定的非贵金属氧化物流程并选择RbSbWO6为案例分析

DigCat数据库中的“水相稳定性评估（Aqueous Stability Assessment）”模块旨在筛选热力学稳定且在水溶液中具有良好稳定性的非贵金属氧化物（图2a）。该模块基于体相Pourbaix图，设定Gibbs自由能差（∆Gpbx）小于0.5 eV/atom，并要求在特定pH和电位条件下存在固相，来判定材料的水相稳定性。在酸性条件下（pH=0），OER的电位范围为1.23 – 2.0 VSHE，HER为-0.8 – 0 VSHE。结果表明，在酸性HER条件下，几乎没有体相金属氧化物稳定，这与本征金属氧化物的特性相符，但在实际电催化过程中，表面氧空位的形成可能改变其稳定性，因此这些材料仍具有HER应用潜力。在酸性OER条件下，Sb基氧化物占稳定金属氧化物的大部分，其中已报道的Co(SbO3)2和Mn(SbO3)2验证了数据挖掘的可靠性。RbSbWO6和CsSbWO6属于未被报道的新体系，其中RbSbWO6因其Rb离子具更小半径和更高电负性，可能提升电子转移和催化性能，因此被选为重点研究对象。

进一步可视化Rb-Sb-W-O体系的Pourbaix相图（图2b-d）展示了在不同pH值和电位下的详细热力学稳定性信息。对于OER（图2c），不同pH值下的ΔGpbx_max均低于0.5 eV/atom。当pH为0至5时，均出现固相，pH在6至14之间无固相存在，表明RbSbWO6在酸性条件下适用于OER，而在中性或碱性条件下不稳定。对于HER（图2d），ΔGpbx_max均高于0.5 eV/atom，且在各pH条件下均无稳定固相生成。然而，考虑到电催化过程中的表面结构演化，仍需进一步开展表面态分析。

【图2】筛选RbSbWO6催化剂流程

3. 表面态以及活性分析

理论计算以筛选出最优的表面结构及其对应的电催化反应表面态。计算表面能（图3a）后发现两种具有最低表面能（0.64 J/m²）的结构A与B最为热力学稳定。值得注意的是，这两个表面结构在本质上相同的，仅存在上下层方向相反的差异（见图3a插图）。因此，选择这两个(011)表面作为后续表面态分析中重点研究的暴露表面。随后，考虑了原始表面和四种典型表面态（OH*、O*、H覆盖以及氧空位，图3b）构建表面Pourbaix图（图3c-d）。结果表明，在OER电位下，表面主要为O/OH覆盖态，而在HER电位下，则趋向于形成H覆盖或氧空位。进一步通过微动力学模型构建OER（图3e）与HER（图3f）火山图，发现A结构在1/6 ML O*覆盖下，W作为吸附位点的结构达到了OER活性峰顶；而B结构形成11/8 ML氧空位后接近HER活性最优点。因此，RbSbWO6的两个表面在不同电位下分别展现出优异的OER和HER活性，表现出双功能催化潜力。

【图3】RbSbWO6的表面态以及活性分析

4. RbSbWO6催化剂合成与表征

采用固相煅烧法合成了RbSbWO6催化剂。ICP-MS测试结果显示元素比例约为1Rb:1Sb:1W，与理论配比一致。N2物理吸附测试表明其比表面积为14.2 m²/g。XRD图谱（图4a）确认成功形成RbSbWO6晶体结构。拉曼光谱（图4b）呈现出典型化学键信号。高分辨HAADF-STEM图像（图4c-d）展示了清晰的晶格条纹。STEM图像（图4e）显示颗粒尺寸约为100–150 nm，EDX元素映射进一步证实了Rb、Sb、W元素的均匀分布，未发现明显的相分离。XPS测试确认Rb、Sb、W、O元素存在，且分别为Rb+、Sb5+、W6+和晶格氧。这些系统表征结果共同确认了RbSbWO6催化剂的合成。

【图4】RbSbWO6的合成以及表征

5. RbSbWO6在OER和HER条件下的电催化性能测试

系统评估了RbSbWO6在酸性（0.5 M H₂SO₄）和碱性（1 M KOH）电解液中的HER与OER催化性能（图5a-b）。在电流密度为10 mA cm-2时，在酸性条件下的过电势（η10）分别为177 mV（HER）和536 mV（OER），在碱性条件下，HER的η10升高至205 mV，而OER的η10降低至423 mV。Tafel分析表明，其在酸性中的HER交换电流密度明显高于碱性，且OER在两种介质中均受电子转移过程控制。稳定性测试显示，RbSbWO6在酸性条件下表现出优异的耐久性：在连续工作120小时后，HER与OER的电位仅分别上升39 mV与89 mV；相比之下，碱性条件下电位增幅则分别达到212 mV和超过600 mV（图5c-d），凸显其在强酸环境中的稳定优势。将其性能与DigCat数据库中其他未经过优化的非贵金属金属氧化物进行对比，RbSbWO6已在酸性条件下展现出极具竞争力的双功能催化性能，甚至超过部分工程化的Co基催化剂（图5e-f）。此外，在质子交换膜电解槽（PEMWE）中进行的实测显示，该材料在80°C下，以0.5 A cm-2的电流密度稳定运行120小时，仅有82 mV的电压上升，进一步证明其在实际应用中具备优异的效率与稳定性（图5g-i）。

【图5】RbSbWO6催化剂的稳定性和活性测试

6. 催化剂稳定性测试后的表征

为了深入理解RbSbWO6在酸性与碱性电解液中的稳定性，研究人员对其经过稳定性测试后的样品进行了系统表征。ICP-OES测量表明，酸性条件下HER和OER后金属元素（Rb、Sb、W）基本无溶出（RHE时出现新的774 cm-1峰，对应W位点吸附O*，其强度随电位增加，表明O*覆盖度上升，进一步支持了理论计算中W位点为OER活性位点的结论。

【图6】稳定性测试后RbSbWO6催化剂的表征

进一步利用高分辨XPS（图7a-c）和XANES（图7d-f）分析了其表面与体相的结构变化。XPS结果显示，在酸性条件下测试后的催化剂光谱几乎与原始样品相同，表明其表面成分和电子结构保持稳定。然而，在碱性条件下，Sb 4d5/2到 W 4f7/2峰的强度比显著下降，Sb 4d能级红移约0.1 eV，表明非晶表面层中的Sb价态略有下降。XANES结果进一步支持这一发现。在对Sb L3边的TEY模式测量中，碱性测试后的样品谱图出现蓝移及强度增强，并在导数谱中观察到Sb3+相关的肩峰，说明表面发生了还原重构，而PFY模式下的谱图变化不明显，证实体结构基本保持。W L₃边的变化较小，仅表现为白线峰强度增强，反映出表面WO6八面体的轻微畸变。这些结果表明，RbSbWO6在酸性环境中具有优异的结构稳定性，而在碱性环境中表面则发生重构。

【图7】稳定性测试后RbSbWO6催化剂的表征

总结展望

本研究提出了一个闭环式设计框架，涵盖前端的催化剂筛选、中期的合成与电化学测试，以及后端的结构表征，旨在开发适用于酸性水分解的非贵金属氧化物催化剂。通过DigCat平台的稳定性筛选、表面态分析以及微动力学分析揭示，RbSbWO6的表面两端分别催化OER与HER，活性接近火山图顶峰。实验验证了其在酸性OER和HER条件下优异的稳定性和双功能催化性能，结构在酸性稳定性测试前后无显著变化。本研究展示了数据驱动策略在高效催化剂发现中的巨大潜力。

论文信息

Xue Jia#, Zihan Zhou#, Fangzhou Liu, Tianyi Wang, Yuhang Wang, Di Zhang, Heng Liu, Yong Wang, Songbo Ye, Koji Amezawa*, Li Wei,*, and Hao Li*, Closed-Loop Framework for Discovering Stable and Low-Cost Bifunctional Metal Oxide Catalysts for Efficient Electrocatalytic Water Splitting in Acid, Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c04079

来源：MS杨站长