摘要：贵金属如铂（Pt）因其出色的催化活性而被视为析氢反应（HER）的优选催化剂。然而，贵金属的稀缺性和高成本促使研究人员探索更便宜的替代品，如铜（Cu），但其与反应中间产物的结合能力较弱，导致催化性能较差。
贵金属如铂（Pt）因其出色的催化活性而被视为析氢反应（HER）的优选催化剂。然而，贵金属的稀缺性和高成本促使研究人员探索更便宜的替代品，如铜（Cu），但其与反应中间产物的结合能力较弱，导致催化性能较差。
2025年2月3日，复旦大学孙大林教授、方方教授、北京工业大学卢岳研究员和北京大学周继寒研究员在Nature Materials上发表题为《Electroreduction-driven distorted nanotwins activate pure Cu for efficient hydrogen evolution》的研究论文，李喆、Yueshuai Wang、刘辉为论文共同第一作者，孙大林教授、方方教授、卢岳研究员、周继寒研究员为论文共同通讯作者。
孙大林，复旦大学教授，国家杰青（2009）。1986年本科毕业于安徽工业大学，1989年于东北大学获硕士学位，1992年于浙江大学获博士学位。1992年-1995年在浙江大学任讲师、副教授，1995年-2003年在法国科学研究中心稀土冶金及谱化学实验室、英国卢瑟福实验室/Salford大学、日本先进工业技术研究院（AIST）物质科学与技术研究所、美国夏威夷大学开展高性能储氢材料与镍氢电池的研究工作。2003年起在复旦大学任教授、博士生导师。
孙大林教授一直从事储氢/储电材料及其先进表征技术（中子衍射/同步辐射）的研究工作。
方方，复旦大学教授，国家优青（2019）。2004年，2009年于复旦大学分别获学士、博士学位。2009年−2016年任复旦大学讲师、副教授，2016年至今，任复旦大学教授，博导。其研究方向为新能源材料，主要是储氢材料和二次离子电池。
卢岳，北京工业大学研究员，国家优青。2010年本科毕业于河北工业大学，2016年于北京工业大学获博士学位。2016年-2018年，北京工业大学师资博士后，2018.09-至今，北京工业大学硕士研究生导师。
卢岳研究员现主要从事原位电子显微学、光-电催化和钙钛矿光伏器件机制研究。
周继寒，北京大学物理化学研究所研究员。2009年本科毕业于北京大学，2014年于北京大学获博士学位（牛津大学联合培养博士）。2014年-2019年于美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。2019年-2020年助理项目科学家，美国加州大学洛杉矶分校；2015年-2020年美国劳伦斯伯克利国家实验室访问学者。
他的研究方向包括功能纳米材料的原子结构与功能的关系；单原子分辨尺度多维研究物质材料结构的动态变化；开发新的电子成像方法，用于电子束敏感物质，特别是非晶物质的三维成像。
在本文中，作者通过电化学还原驱动的局部结构修饰来激活纯铜（Cu）的催化活性，实现了在酸电解液中工作电流密度大于100 mA cm-2时，析氢反应（HER）的催化性能优于商业铂/碳（Pt/C）催化剂。
活化涉及两个步骤。首先，通过脉冲激光烧蚀制备了多晶Cu2O纳米颗粒，通过电子显微镜观察到Cu2O颗粒内存在晶界。接着，Cu2O颗粒被电还原成纯铜，诱导了扭曲的纳米孪晶和刃型位错的形成。
根据密度泛函理论（DFT）计算，这些局部结构诱导了高的晶格应变并降低了Cu的配位数，增强了Cu与中间体之间的相互作用，从而导致了催化剂优异的催化活性和耐久性。结果表明，低成本纯Cu可以成为大规模工业应用中的一种有前景的HER催化剂。
图1：DNTs-Cu晶格应变起源分析
图2：DNTs-Cu颗粒的三维（3D）原子结构和3D应变张量测量
图3：不同催化剂在氩气饱和0.5 M H2SO4水溶液中的HER活性和耐久性
综上，作者通过电还原驱动的局部结构调控，制备了具有畸变纳米孪晶结构的纯铜催化剂（DNTs-Cu），并实现了其在酸性条件下的高效HER。与商用Pt/C催化剂相比，DNTs-Cu在高电流密度下表现出更优异的性能，且成本低廉，具有广阔的应用前景。
此外，该研究还揭示了多晶Cu2O中高密度晶界在形成DNTs中的关键作用，并验证了通过改变配位数和引入拉伸应变来调节金属催化活性的普适性。未来的研究可以进一步探索这种结构调控策略在其他金属催化剂中的应用，为开发高性能、低成本的析氢催化剂提供新的方向。
Li, Z., Wang, Y., Liu, H. et al. Electroreduction-driven distorted nanotwins activate pure Cu for efficient hydrogen evolution. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02098-2.
来源：华算科技