一般来说，在酸性介质中活性最好的HER催化剂（如Pt）在碱性介质中通常会失去相当大的催化性能，这主要是由于额外的水解离步骤。为了有效解决这一问题，人们通常通过与金属(氢)氧化物偶联来设计协同杂化催化剂。然而，此类杂化体系通常存在反应路线长、成本高、制备方法复杂等缺点。

近日，南京工业大学邵宗平教授，澳大利亚莫纳什大学Yinlong Zhu报道了用一种简单成熟的固相反应方法设计并制备了单相钙钛矿型氧化物电催化剂SrTi_0.7Ru_0.3O_3-δ（STRO），该催化剂具有本质上的原子级催化协同效应。值得注意的是，研究人员在STRO钙钛矿上发现了相邻的Ti³⁺离子(具有3d¹组态)和Ru⁵⁺离子(具有4d³组态)之间的180°相互作用符合GoodEnough-Karamori-Anderson规则这一独特的超级交换效应，同时增强了其导电性。

文章要点

1）研究人员通过简便且可扩展的固态反应方法合成了具有不同Ti/Ru摩尔比（SrTi_1-xRu_xO_3-δ，x = 0，0.1，0.2，0.3，0.4，1）的SrTiO₃钙钛矿型氧化锆氧化物。在具有不同组成和煅烧温度的所有SrTi_1-xRu_xO_3-δ样品中，在900℃下煅烧的SrTi_0.7Ru_0.3O_3-δ显示出最佳的HER活性，因此SrTi_0.7Ru_0.3O_3-δ为被选作这项工作的模型催化剂。研究人员将SrTi_0.7Ru_0.3O_3-δ，SrTiO₃和SrRuO₃分别表示为STRO，STO和SRO。

2）实验结果显示，STRO具有优异的HER活性，在1M KOH ，10 mA cm⁻²电流密度下，过电位低至46 mV，具有40 mV dec⁻¹的极低的塔菲尔斜率，，与基准铂/碳催化剂相当，并超过了迄今报道的大多数最先进的催化剂。此外，STRO在碱性HER条件下表现出了高达200 h的强大运行稳定性。

3）研究人员通过密度泛函理论(DFT)计算发现，其优异的活性主要归因于STRO中多个催化中心之间独特的协同效应，即Ti离子有助于加速水的解离，Ru离子有利于OH*的脱附，非金属氧位（即氧空位/晶格氧）对H*的吸附和析氢几乎达到最优。

这项工作从根本上揭示了单相多活性中心协同作用的作用，并为通过原子级调制策略开发先进的碱性HER电催化剂提供了一条极有前途的途径。

Dai, J., Zhu, Y., Tahini, H.A. et al. Single-phase perovskite oxide with super-exchange induced atomic-scale synergistic active centers enables ultrafast hydrogen evolution. Nat Commun 11, 5657 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-19433-1

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19433-1