近日，我校海南大学材料科学与工程学院的邓意达教授团队，以阴离子梯度工程化为核心策略，成功构建了Rh_SA-MoS_xSe_2-x单原子催化剂模型体系，系统揭示了金属-载体前线轨道杂化在原子尺度上的调控机制，为破解绿氢制备中催化剂活性与稳定性难以兼得的核心难题提供了系统性解决方案。

图1 通过改变MoS_xSe_2-x载体的S: Se比来调节Rh_SA-MoS_xSe_2-x中的金属-载体相互作用及其对催化性能的影响。

创新点一：提出了阴离子梯度工程化的单原子设计策略

团队构建了Rh_SA-MoS_xSe_2-x（0 ≤ x ≤ 2）模型催化剂体系，通过连续调变载体中硫和硒的比例，实现了对金属-载体前线轨道相互作用的梯度化精准调控。理论计算与实验表征共同揭示，MoS_xSe_2-x载体抬高的最低未占据分子轨道（LUMO）能级不仅促进了Rh原子与载体间的轨道杂化，增强结构稳定性，还通过调控锚定Rh原子的LUMO能级，实现了对OH^-与H⁺关键反应中间体吸附行为的双重优化，为催化活性的提升奠定了电子结构基础。

创新点二：确立了“火山型”构效关系描述符

通过原位光谱与理论计算相结合，团队建立了Rh_SA-MoS_xSe_1-x材料中S：Se比与析氢反应相关描述符之间的火山型关联关系，这些描述符包括功函数、∆G_H、∆G_OH、过电位、塔菲尔斜率、电阻、转换频率、双电层电容以及本征活性。该研究首次从实验与理论双重视角验证了前线轨道HOMO-LUMO杂化可作为碱性析氢反应的普适动力学描述符。

创新点三：打破了催化剂活性-稳定性权衡困局

位于“火山”顶点的Rh_SA-MoSSe催化剂，同时实现了优异的碱性析氢反应活性与突出的稳定性：在10 mA cm^-2电流密度下过电位仅42 mV（远低于多数非贵金属催化剂），且在模拟工业波动供电条件下连续稳定运行超过300小时，催化剂结构、形貌和价态均无明显变化--在单原子尺度上打破了“高活性必不稳定”的魔咒。该阴离子调控策略在Ru、Pt等其它贵金属单原子催化剂上同样有效，证明了其普适性。

该工作得到了国家自然科学基金项目（批准号：52231008、22369005等）的支持，相关成果以“Frontier-Orbital Modulation of Rhodium Single-Atom Catalysts for Enhanced Hydrogen Evolution”为题，发表在国际期刊《Nature Communications》上。论文第一作者为材料科学与工程学院博士研究生贾柔娜，通讯作者为邓意达教授、王杨副教授和王浩志副研究员。此外，研究团队将原子级轨道调控与宏观电极工程相结合，成功突破了催化材料公斤级宏量制备、膜电极平米级规模化制造的关键技术，根据流体力学自主设计了不同流场双极板与新型零间隙电解槽。在此基础上，团队在海南建成了一套5千瓦级电解水制氢示范系统。与当前商业系统相比，该系统每标方产氢效率提升29%，电能消耗降低34%，成本降低31%，为清洁能源的消纳与存储提供了绿色清洁能源方案。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73161-6