氢结合能（HBE，∆G(H*)）最初是作为金属析氢反应（HER）活性火山图的描述符引入的，并在过去二十年间被广泛应用于各种材料研究，已有数千篇相关应用。然而，近年来，在单原子催化剂（SACs）设计中使用 ∆G(H*) 作为 HER 的描述符引发了重大争议。为了解决这一问题，近期研究提出了局部溶剂环境模型，以及考虑二氢化物和二氢配合物的三维火山框架，以解释 SACs 上的 HER 过程。然而，研究人员仍然面临一个无法回避的问题：氢结合能（HBE）是否仍然是 SACs 设计的理想描述符？

为回答这一问题，近日，日本东北大学李昊教授团队（DigCat团队）、Shiku Hitoshi教授团队、悉尼大学魏力博士团队首次提出一个新的二维 HER 火山图，对当前的争议进行全面解释。该火山模型考虑了 HO* 中毒效应以及多氢物种模型，引入了一个精细化的火山模型，将 ∆G(H*) 和 ∆G(HO*) 结合在一起，通过考虑 HO* 吸附效应克服了传统氢模型的局限性。此外，研究还探讨了一个关键的子问题：SACs 中的金属位点是否是唯一的活性位点？通过实验和理论计算，我们证明了在 Cu/Ni-Pc 催化剂中，相邻的 N 原子可以替代金属原子作为活性位点。

总的来说，该研究通过整合多种方法，突破了单一使用 ∆G(H*) 作为 HER 描述符的局限性，强调了考虑 O*/HO* 中毒效应的必要性以及金属配位原子N等作为HER活性位点的可能性，为单原子催化剂的优化提供了新的见解，并有效回应了该领域的主要争议。

值得一提的是，该工作所有关键实验数据及理论计算结构，都已上传到由李昊教授团队开发的“数字催化平台”（Digital Catalysis Platform; DigCat: www.digcat.org），供读者后续分析使用。

图 1. 各种M-N-C催化剂的结构及H吸附能分析。

图 2. 表面吸附物覆盖效应分析。

图 3. 不同吸附位点活性的理论计算。

图 4. 微观动力学建模及理论与实验的对比分析。

论文信息

S. Ye, F. Liu, F. She, J. Chen, D. Zhang, A. Kumatani, H. Shiku*, L. Wei*, and H. Li*, "Hydrogen Binding Energy Is Insufficient for Describing Hydrogen Evolution on Single-Atom Catalysts", Angewandte Chemie International Edition, 2025, e202425402.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202425402