科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳
4月13日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所江河清研究員帶領的膜分離與催化研究組與中國海洋大學等單位合作開發(fā)出一種氮摻雜介孔碳負載Ru（釕）單原子和納米團簇催化劑（NMC-RuSA+NC），相關研究成果發(fā)表在《應用催化B：環(huán)境》期刊上。該研究所聯(lián)合培養(yǎng)研究生姚涵旭為第一作者，通訊作者是該研究所江河清和中國海洋大學黃明華教授。
氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑NMC-RuSA+NC 圖/姚涵旭
開發(fā)高效、穩(wěn)定、經濟的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展至關重要。鑒于Ru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注，其中構建多耦合活性位點已被認為是促進析氫動力學的有效途徑。但是在提高催化劑質量活性時，如何同時實現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設計的瓶頸問題。
記者了解到，科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN4結構以及Ru納米團簇的形式存在，二者之間存在電子轉移現(xiàn)象。密度泛函理論計算結果表明，Ru納米團簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應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構可以加速反應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構和強電子耦合效應，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（>500mA/cm2）。
據(jù)科研人員介紹，本工作也探究催化劑實際工業(yè)化的應用前景，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)電解水制氫中的應用潛力，為高通量低成本析氫電催化劑的設計提供了新的見解和思路。
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