開發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展至關(guān)重要。鑒于Ru（釕）具有成本相對低廉和適宜的金屬-氫鍵強度，Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關(guān)注，其中構(gòu)建多耦合活性位點已被認(rèn)為是促進(jìn)析氫動力學(xué)的有效途徑。但是在提高催化劑質(zhì)量活性時，如何同時實現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設(shè)計的瓶頸問題。
近期，青島能源所江河清研究員帶領(lǐng)的膜分離與催化研究組與中國海洋大學(xué)等單位合作開發(fā)出一種氮摻雜介孔碳負(fù)載Ru單原子和納米團(tuán)簇催化劑（NMC-RuSA+NC），相關(guān)研究成果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental《應(yīng)用催化B：環(huán)境》期刊上。
科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN4結(jié)構(gòu)以及Ru納米團(tuán)簇的形式存在，二者之間存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。密度泛函理論計算結(jié)果表明，Ru納米團(tuán)簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應(yīng)不僅加速了水的解離過程，而且優(yōu)化了金屬對H*的吸附強度，從而提高了催化析氫活性。此外，該催化劑的分等級多孔結(jié)構(gòu)可以加速反應(yīng)物到活性位點的傳輸，并及時釋放生成的氫氣。得益于獨特的分等級多孔結(jié)構(gòu)和強電子耦合效應(yīng)，所開發(fā)的催化劑在堿性和酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氫性能，并能夠在低過電位下實現(xiàn)工業(yè)化水平的大電流密度（> 500 mA cm-2）。此外，本工作也探究催化劑實際工業(yè)化的應(yīng)用前景，所開發(fā)的NMC-RuSA+NC催化劑具有比商業(yè)Pt/C催化劑更高的質(zhì)量活性和更低的制氫成本，展示了其在工業(yè)電解水制氫中的應(yīng)用潛力，為高通量低成本析氫電催化劑的設(shè)計提供了新的見解和思路。
圖1 氮摻雜介孔碳負(fù)載Ru單原子和納米團(tuán)簇催化劑NMC-RuSA+NC
聯(lián)合培養(yǎng)研究生姚涵旭為第一作者，通訊作者是江河清研究員和中國海洋大學(xué)黃明華教授。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金和山東省重點研發(fā)計劃（重大科技創(chuàng)新工程）項目的資助。
Hanxu Yao, Xingkun Wang, Kai Li, Cheng Li, Canhui Zhang, Jian Zhou, Zhengwen Cao, Huanlei Wang, Meng Gu, Minghua Huang and Heqing Jiang, Strong Electronic Coupling Between Ruthenium Single Atoms and Ultrafine Nanoclusters Enables Economical and Effective Hydrogen Production, Applied Catalysis B: Environmental, (2022) DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121378
