氫能是未來替代傳統(tǒng)化石燃料最有前景的能源，通過可再生能源驅(qū)動的電解水可以高效環(huán)保地產(chǎn)生高純度氫氣。然而，陽極析氧反應(yīng)（OER）的反應(yīng)動力學(xué)遲緩，嚴(yán)重阻礙了電解水的發(fā)展。近年來，研究人員致力于尋找替代OER的小分子氧化反應(yīng)，其中肼氧化反應(yīng)（HzOR）因其低電位和高安全性備受關(guān)注。雖然已經(jīng)開發(fā)了非貴金屬催化劑用于HzOR，但其仍存在肼不完全氧化和產(chǎn)生NH3副產(chǎn)物的問題。此外，開發(fā)用于HzOR和析氫反應(yīng)（HER）的雙功能催化劑對電解系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要價值，但仍然充滿挑戰(zhàn)性。
研究人員發(fā)現(xiàn)采用Ru基納米材料可以促進(jìn)HzOR反應(yīng)的動力學(xué)，同時Ru也可以作為HER反應(yīng)的理想候選材料，但貴金屬的過度使用限制了其應(yīng)用。因此，需要開發(fā)有效策略以充分利用貴金屬并獲得優(yōu)異的雙功能催化劑。設(shè)計原子級分散的貴金屬催化劑和精細(xì)調(diào)節(jié)單原子與載體之間的界面相互作用是提高催化劑質(zhì)量活性的關(guān)鍵。單原子催化劑在HzOR中的應(yīng)用研究尚不充分，但具有巨大潛力。
近日，清華大學(xué)的王定勝副教授團(tuán)隊和溫州大學(xué)的陳偉教授團(tuán)隊合作，在NiCoP納米線陣列表面設(shè)計構(gòu)建了原子級的Ni（Co）-Ru-P界面位點（Ru1-NiCoP），其在HzOR和HER反應(yīng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。首先，通過低溫磷化NiCo LDH制備的NiCoP納米線陣列具有豐富的缺陷或空位，為原子分散Ru的錨定提供了有利位置。隨后，通過浸漬吸附和退火將單原子Ru位點引入NiCoP表面結(jié)構(gòu)。將NiCoP納米線陣列的合成與Ru單原子沉積分步進(jìn)行有助于Ni（Co）-Ru-P界面位點的成功構(gòu)筑，從而最大限度地利用Ru單原子。 HzOR催化測試表明，Ru1-NiCoP催化劑的質(zhì)量活性是商用Pt/C納米催化劑的38.7倍。Ru1-NiCoP催化劑在HER反應(yīng)中同樣表現(xiàn)優(yōu)異, 其質(zhì)量活性是商用Pt/C納米催化劑的3.2倍。 此外，基于整體肼分解的雙電極電解槽采用Ru1-NiCoP作為陽極和陰極催化劑，在0.3 V電池電壓下產(chǎn)生的電流密度高達(dá)522 mA cm-2，明顯優(yōu)于大多數(shù)已報道的雙功能催化劑，這得益于其獨特的Ni（Co）-Ru-P界面位點的協(xié)同作用。整體肼分解系統(tǒng)與電解水系統(tǒng)相比，具有顯著的節(jié)能產(chǎn)氫潛力。 理論計算研究表明，Ru單原子位點的引入優(yōu)化了Ru1-NiCoP對H的吸附；并顯著降低了未占據(jù)態(tài)d帶中心，從而增強(qiáng)了對*N2H2的吸附能力，降低了肼脫氫過程的能壘進(jìn)而提高了對于HzOR的催化活性。 該工作通過構(gòu)建原子級的界面協(xié)同位點，開發(fā)出用于肼氧化輔助產(chǎn)氫的高效雙功能催化劑，為設(shè)計具有更廣泛應(yīng)用的雙功能電催化劑提供了啟示。 論文信息 Cooperative Ni(Co)-Ru-P Sites Activate Dehydrogenation for Hydrazine Oxidation Assisting Self-powered H2 Production Yanmin Hu, Tingting Chao, Yapeng Li, Peigen Liu, Tonghui Zhao, Ge Yu, Cai Chen, Xiao Liang, Huile Jin, Shuwen Niu, Wei Chen, Dingsheng Wang, Yadong Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202308800
