電催化水分解被廣泛認為是利用可再生電力制備綠色氫氣的一種有前途的途徑。堿性水電解槽(LAWE)和質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWE)是兩種主流的水電解技術(shù)。考慮到LAWE與可再生能源的匹配性較差和PEMWE的操作成本較高，陰離子交換膜水電解(AEMWE)在工業(yè)制氫中正在引起越來越多的關(guān)注。然而，目前AEMWE的膜/離子體電導(dǎo)率低于PEMWE，以及堿性介質(zhì)的HER反應(yīng)動力學(xué)較酸性介質(zhì)緩慢。因此，設(shè)計具有優(yōu)良活性和耐久性的高效堿性HER電催化劑是實現(xiàn)高性能AEMWE的關(guān)鍵。
近日，北京大學(xué)郭少軍課題組選擇了缺電子和嗜氧Ga單原子作為電子橋，與富電子的Ru團簇協(xié)同作用，誘導(dǎo)了與Ru團簇強烈的金屬載體相互作用，顯著提高了其在AEMWE中的HER性能。研究發(fā)現(xiàn)，摻氮碳上的Ga單原子可以作為固定Ru團簇的錨定位點，使Ru團簇在高密度碳上均勻分布，并且阻止了Ru團簇在AEMWE長期電解過程中的團聚和分離。優(yōu)化后的Ru-GaSA/N-C催化劑具有優(yōu)異的性能，在10 mA cm-2時的過電位僅為4±1 mV，在?0.05 V時的質(zhì)量活度為9.3±0.5 A mgRu-1，優(yōu)于PtRu/C和Pt/C催化劑。以1.0 M KOH作為電解質(zhì)，基于Ru-GaSA/N-C (具有0.08 mg cm-2的低Ru負載)的AEMWE在1 A cm-2電流密度處僅表現(xiàn)出1.74 V的低電壓，并且可以在1.0 A cm-2電流密度下連續(xù)運行超過170小時，且該過程中電壓增加可以忽略不計。實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算結(jié)果共同表明，Ru團簇與Ga-氮化物載體界面形成的強烈的Ga-Ru鍵可以優(yōu)化Ru-H鍵強度，而Ru團簇附近的嗜氧性Ga位點可以加速水在堿性介質(zhì)中的解離，這兩者都導(dǎo)致Ru-GaSA/N-C在AEMWE中活性和穩(wěn)定性的提高。Oxophilic gallium single atoms bridged ruthenium clusters for practical anion-exchange membrane electrolyzer. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-51200-4
