氢作为一种高热函、零碳排放的能源，在未来绿色能源社会中发挥着重要作用。 将太阳能、水能、风能等可持续能源转化为电能转化为化学能，通过电解水储存为氢气，是一种经济、绿色的制氢方式。 碱性水电解制氢可以避免酸腐蚀电极和催化剂的腐蚀和溶解，达到高效制备纯氢的目的。 同时可与其他工业半反应（氯碱化工）配合使用，具有很大的应用前景。 与酸性环境中质子直接耦合电子的析氢反应（2H+ + 2e-→H2↑）相比，碱性介质中质子的缺乏需要通过额外的水电离来补充（H2O + e- → H* + OH -)，这直接导致其水电解析氢活性比酸性环境低2~3个数量级，阻碍了碱性水电解析氢反应的大规模应用。
由于其可调节的化学和电子结构，过渡金属氧化物是碱性水电解氢的潜在优异催化剂。 尤其是后期元素周期表中的钨/钼基氧化物催化剂，比前期过渡时期常用的3d磁性金属Fe、Co、Ni等元素具有更宽的价态控制范围（0~+6），使得它们在电催化应用中具有更强的化学和电子结构控制能力。 针对碱性水电解中质子缺乏的关键科学问题，后期元素周期表中的钨/钼氧化物可以通过形成常见的弱酸性中间体（钨酸/钨青铜HxWOy、钼酸）来调节催化剂表面的酸度。 /钼青铜），然后创造一个准酸性环境，促进表面析氢反应，而传统3D磁性金属只能形成碱性氢氧化物，如Fe(OH)2、Co(OH)2和Ni(OH)2 2. 显然，钨/钼氧化物在碱性电解液中构建类酸催化界面层的优势是其他金属氧化物所不具备的。 这是我们设计用于碱性水电解析氢反应的固体酸催化剂的初衷。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所通过合理的热处理条件，在泡沫镍基体上设计出了W/WO2金属型异质结材料。 其中WO2作为一类比较特殊的氧化钨物种，兼具金属和氧化物的特性。 其丰富的氧缺陷环境和金属特性使得W/WO2催化剂表面更容易形成类酸界面（WO2+H2O+e-→HxWOy+OH-）； 同时，金属和阴极保护的特性使溶液中的水电离和OH-减弱了钨氧化物体的腐蚀（WOx+OH-→WO42-+H2O），更有利于W/WO2固体酸长期稳定地催化碱性水电解制氢反应。
在碱性环境下在W/WO2异质结催化剂表面捕获HxWOy中间产物已成为鉴定催化剂表面类酸催化界面成功构建的关键。 本工作利用苏州纳米所真空互连实验装置（Nano-X）在能量催化方向的表征优势，开展了以下工作：重点研究了WO2与H2O分子反应生成水分子的过程。形成钨青铜HxWOy，通过近常压X射线光电子能谱（NAP-XPS）的过水测试（0.1 mbar）（图1a）发现W/WO2异质结材料具有优异的水分解能力。 主要特征是代表水道中氧缺陷的O 1s XPS特征峰。 然后消失，同时出现W-OH和H2O吸附峰（图1b、c），表明W/WO2表层具有吸附水和解离水的能力； W/WO2异质结材料进行碱水电解制氢反应后，通过二次离子飞行质谱（TOF-SIMS）捕获了催化剂表面产生的大量水合氢离子（H3O+），表明催化剂表面已酸化（图1d、e、f）； W/WO2通过反射电子能量损失谱(REELS)证实。表面上氢的浓度与施加的电势有关。 施加小于30 mV的超低过电位可以使催化剂表面的酸化程度与商业钨酸材料（H2WO4）相似（图1g）。 因此，结合Nano-X相关光谱表征，研究获得了W/WO2异质结材料在碱性水中电解制氢过程中表面酸化的证据。
为了进一步确认酸化中间产物的化学特征，结合热催化过程常见的光谱表征，研究采用氢固体核磁共振（1H MAS NMR，图1h）和吡啶红外（Py-IR，图1i）确认W/WO2中氢的化学环境趋于商业H2WO4； 同时，Py-IR表征证实W/WO2表面形成的HxWOy酸化物具有布朗斯台德酸特性，即质子的吸附和解吸特性，表明所构建的W/WO2异质结材料本质上是一种固体酸材料。
该研究为廉价钨钼基氧化物材料高效稳定催化碱性水电解制氢提供了新的研究思路。 相关研究成果以W/-acid为题发表在《自然通讯》（ ）上。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院、江苏省博士后基金和纳米科技基金的支持。 -X平台。 论文链接 Nano-X能量催化方向相关设备捕获W/WO2表面酸性中间体：（a）NAP-XPS水通过测试示意图，在超高真空（UHV）和0.1 mbar水气氛下收集W/WO2材料（ b) O 1s 和 (c) W 4f XPS 谱，(d) TOF-SIMS 谱，(e) 浸泡样品和 (f) 催化反应后样品催化剂表面 H3O+ 的二维成像，W/WO2催化剂经过不同的(g) REELS光谱，(h) 1H MAS NMR，(i) 电位处理后的Py-IR光谱。