金屬載體電子相互作用在觸發氫溢出(HSo)促進析氫反應(HER)中起著關鍵作用。在該技術中，需要富電子態的負載金屬來促進質子的吸附/溢出，然而這種富電子的金屬狀態與傳統的電子從金屬向載體轉移的方案(導致金屬表現出電子虧損態，不利于HSo-HER表面質子的吸附-聚集)相矛盾，並且與給電子的氧析出反應(OER)不兼容，特別是在缺乏質子的堿性條件下。因此，目前需要開發合理的物理化學範式用于具有HSo效應的負載型金屬電催化劑的研究。

有研究表明，對于一個典型的金屬-載體堆，由于物理尖端增強效應，電子將在金屬的頂部區域積累。因此，它將在負載金屬的界面(e−缺陷)和頂部(e−豐富)區域形成Janus電子態，使堿性HSo-HER和OER過程的協同作用成爲可能。

基于此，西安交通大學戴正飛課題組構建了一個Ir/NiPS3金屬-載體異質結構作爲電催化HER/OER性能和機理研究的平台。理論計算和DPC-STEM結果顯示，Ir/NiPS3異質結構是通過在剝離的NiPS3層上生長Ir納米顆粒而構建的，該體系由于物理針尖增強和化學界面成鍵效應而成功地形成Janus富電子/貧電子區域。

性能測試結果顯示，在堿性HER中，Ir/NiPS3異質結具有低的電位(10 mA cm-2@23 mV)和快的動力學(32 mV dec-1)，性能超過了Pt；同時，該催化劑還表現出良好的OER抗重構活性，在10 mA cm-2電流密度下的過電位低至236 mV，利用UOR代替OER後性能進一步改善(10 mA cm-2@1.36 VRHE，21.1 mV dec-1)。此外，在有/無尿素輔助的條件下，Ir/NiPS3電極分別僅需1.44 V和1.51 V的電壓就能達到10 mA cm-2，並在該電流密度下連續電解水達1000小時。

原位光譜和理論計算表明，在堿性HER過程中，催化劑表面存在局部酸性環境和Ir→NiPS3氫的動態溢出；並且，Ir/NiPS3結構具有抗重構的優點，保證了機理的精確分析。此外，Ir/NiPS3樣品顯示出大的表面電位，表面電位漲落的增強極大地影響了電荷的再分布，從而調節了HER和OER中間體在不同區域的選擇性吸附/脫附。

值得注意的是，界面上的貧電子區有利于富電子OH-的聚集，從而促進UOR脫氫反應。總的來說，該項工作闡明了Janus金屬電子態在協同氫溢出和OER過程中的作用，爲設計高效的金屬-載體水分解催化劑提供了新策略。

Janus electronic state of supported iridium nanoclusters for sustainable alkaline water electrolysis. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47045-6