可再生能源發(fā)電耦合電解水制氫被認(rèn)為是未來發(fā)展環(huán)境友好型綠氫制備工藝的主要技術(shù)路線。然而，緩慢的吸附反應(yīng)動力學(xué)限制了陰離子交換膜電解槽(AEMWE)的可實(shí)現(xiàn)最大電流密度，進(jìn)而影響了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的前景。
對于陰極析氫反應(yīng)(HER)，貴金屬鉑(Pt)基材料被認(rèn)為是目前最有效的電催化劑，但同時(shí)面臨著成本高昂和資源稀缺等不可避免的問題。作為被廣泛認(rèn)可的貴金屬Pt基催化劑替代品，釕(Ru)基催化劑展現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化析氫活性和穩(wěn)定性。目前，進(jìn)一步降低貴金屬負(fù)載量，同步提高貴金屬原子利用率是發(fā)展Ru基電催化析氫材料的重點(diǎn)研究方向之一。近日，浙江大學(xué)侯陽研究員和美國紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授通過電化學(xué)沉積法，設(shè)計(jì)并合成了一種全新的原子層狀Ru團(tuán)簇(NC)和Ru單原子(SA)共同負(fù)載在非晶（氧）氫氧化鎳/磷化鎳基底(NS-Ru@NiHO/Ni5P4)材料。該NS-Ru@NiHO/Ni5P4催化劑可通過Ru-H橋連過渡態(tài)促進(jìn)HER基元步驟的動力學(xué)過程，從而實(shí)現(xiàn)AEMWE的高效電解水制氫。該NS-Ru@NiHO/Ni5P4催化劑展現(xiàn)出優(yōu)越的電催化HER性能，在1.0 M KOH電解液中，達(dá)到10 mA cm-2電流密度下的過電勢僅為16 mV；當(dāng)進(jìn)一步將NS-Ru@NiHO/Ni5P4陰極與商業(yè)IrO2陽極催化劑耦合并組裝成AEMWE時(shí)，該AEMWE裝置在僅1.70 Vcell的電壓下便實(shí)現(xiàn)了1.0 A cm-2電流密度的電解水析氫。原位光譜和電化學(xué)分析結(jié)果證實(shí)，NS-Ru@NiHO/Ni5P4催化劑中的Ru SA和原子層狀Ru NC分別在促進(jìn)水解離和減弱*H吸附方面起著關(guān)鍵作用。理論計(jì)算進(jìn)一步闡明了HER反應(yīng)機(jī)理：水分子在單原子Ru位點(diǎn)（Ru SA）上發(fā)生水解離產(chǎn)生質(zhì)子，該質(zhì)子隨后通過過渡態(tài)橋連與相鄰團(tuán)簇Ru NC（Ru(SA)-O-H-Ru(NC)）實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移，從而加速Volmer-Heyrovsky基元步驟反應(yīng)動力學(xué)，提高了電催化HER活性。該研究工作不僅對AEMWE中析氫反應(yīng)指明了新的方向，還對探究金屬團(tuán)簇與單原子共存結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)具有一定的指導(dǎo)作用，相關(guān)工作已發(fā)表于Advanced Function Materials(doi.org/10.1002/adfm.202212321)上。論文的共同一作分別是浙江大學(xué)博士生王可欣和西湖大學(xué)博士生曹駿輝。
