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貴金屬如鉑（Pt）因其出色的催化活性而被視為析氫反應（HER）的優選催化劑。然而，貴金屬的稀缺性和高成本促使研究人員探索更便宜的替代品，如銅（Cu），但其與反應中間產物的結合能力較弱，導致催化性能較差。

2025年2月3日，復旦大學孫大林教授、方方教授、北京工業大學盧岳研究員和北京大學周繼寒研究員在Nature Materials上發表題為《Electroreduction-driven distorted nanotwins activate pure Cu for efficient hydrogen evolution》的研究論文，李喆、Yueshuai Wang、劉輝為論文共同第一作者，孫大林教授、方方教授、盧岳研究員、周繼寒研究員為論文共同通訊作者。

孫大林，復旦大學教授，國家杰青（2009）。1986年本科畢業于安徽工業大學，1989年于東北大學獲碩士學位，1992年于浙江大學獲博士學位。1992年-1995年在浙江大學任講師、副教授，1995年-2003年在法國科學研究中心稀土冶金及譜化學實驗室、英國盧瑟福實驗室/Salford大學、日本先進工業技術研究院（AIST）物質科學與技術研究所、美國夏威夷大學開展高性能儲氫材料與鎳氫電池的研究工作。2003年起在復旦大學任教授、博士生導師。

孫大林教授一直從事儲氫/儲電材料及其先進表征技術（中子衍射/同步輻射）的研究工作。

方方，復旦大學教授，國家優青（2019）。2004年，2009年于復旦大學分別獲學士、博士學位。2009年?2016年任復旦大學講師、副教授，2016年至今，任復旦大學教授，博導。其研究方向為新能源材料，主要是儲氫材料和二次離子電池。

盧岳，北京工業大學研究員，國家優青。2010年本科畢業于河北工業大學，2016年于北京工業大學獲博士學位。2016年-2018年，北京工業大學師資博士后，2018.09-至今，北京工業大學碩士研究生導師。

盧岳研究員現主要從事原位電子顯微學、光-電催化和鈣鈦礦光伏器件機制研究。

周繼寒，北京大學物理化學研究所研究員。2009年本科畢業于北京大學，2014年于北京大學獲博士學位（牛津大學聯合培養博士）。2014年-2019年于美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究。2019年-2020年助理項目科學家，美國加州大學洛杉磯分校；2015年-2020年美國勞倫斯伯克利國家實驗室訪問學者。

他的研究方向包括功能納米材料的原子結構與功能的關系；單原子分辨尺度多維研究物質材料結構的動態變化；開發新的電子成像方法，用于電子束敏感物質，特別是非晶物質的三維成像。

在本文中，作者通過電化學還原驅動的局部結構修飾來激活純銅（Cu）的催化活性，實現了在酸電解液中工作電流密度大于100 mA cm^-2時，析氫反應（HER）的催化性能優于商業鉑/碳（Pt/C）催化劑。

活化涉及兩個步驟。首先，通過脈沖激光燒蝕制備了多晶Cu₂O納米顆粒，通過電子顯微鏡觀察到Cu₂O顆粒內存在晶界。接著，Cu₂O顆粒被電還原成純銅，誘導了扭曲的納米孿晶和刃型位錯的形成。

根據密度泛函理論（DFT）計算，這些局部結構誘導了高的晶格應變并降低了Cu的配位數，增強了Cu與中間體之間的相互作用，從而導致了催化劑優異的催化活性和耐久性。結果表明，低成本純Cu可以成為大規模工業應用中的一種有前景的HER催化劑。

圖1：DNTs-Cu晶格應變起源分析

圖2：DNTs-Cu顆粒的三維（3D）原子結構和3D應變張量測量

圖3：不同催化劑在氬氣飽和0.5 M H₂SO₄水溶液中的HER活性和耐久性

綜上，作者通過電還原驅動的局部結構調控，制備了具有畸變納米孿晶結構的純銅催化劑（DNTs-Cu），并實現了其在酸性條件下的高效HER。與商用Pt/C催化劑相比，DNTs-Cu在高電流密度下表現出更優異的性能，且成本低廉，具有廣闊的應用前景。

此外，該研究還揭示了多晶Cu₂O中高密度晶界在形成DNTs中的關鍵作用，并驗證了通過改變配位數和引入拉伸應變來調節金屬催化活性的普適性。未來的研究可以進一步探索這種結構調控策略在其他金屬催化劑中的應用，為開發高性能、低成本的析氫催化劑提供新的方向。

Li, Z., Wang, Y., Liu, H. et al. Electroreduction-driven distorted nanotwins activate pure Cu for efficient hydrogen evolution. Nat. Mater. (2025).

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