堿性電催化析氫反應(yīng)(HER)在清潔能源的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)中起著重要作用。釕(Ru)基HER催化劑因其突出的催化活性、低成本和優(yōu)于鉑基催化劑的耐久度,被廣泛應(yīng)用于堿性HER反應(yīng)。但是,堿性介質(zhì)中緩慢的水解離導(dǎo)致的質(zhì)子供應(yīng)不足以及關(guān)鍵中間體在催化劑上的吸附/脫附較差,給實(shí)現(xiàn)Ru基催化劑上的高效反應(yīng)過(guò)程帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。近期,合肥光源用戶(hù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授課題組報(bào)道了一種在碳載體上形成的具有相鄰Ru單原子與Ru納米粒子的高性能堿性HER電催化劑。
該課題組設(shè)計(jì)合成了一種負(fù)載于碳載體上的具有相鄰Ru單原子與Ru納米顆粒(Ru1,n-NC)的催化劑材料,并將其用于堿性介質(zhì)中的析氫反應(yīng)。同步輻射X射線吸收譜揭示了催化劑中Ru的不同配位結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明Ru1,n-NC催化劑在堿性電解液中可以實(shí)現(xiàn)超低的過(guò)電位(14.8 mV)和高的轉(zhuǎn)換頻率(1.25 H2 s-1 at -0.025 VRHE),遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于40 wt%的商業(yè)Pt/C催化劑。基于原位拉曼和原位紅外光譜以及理論計(jì)算研究表明,Ru納米顆粒和單原子位點(diǎn)可以相互促進(jìn)其電子向碳基底的轉(zhuǎn)移,該電子結(jié)構(gòu)調(diào)控有利于水在不同Ru位點(diǎn)上的解離,同時(shí)降低了相鄰Ru位點(diǎn)上氫氧化物/氫脫附的能壘,實(shí)現(xiàn)對(duì)Ru1,n-NC反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化,從而獲得優(yōu)異的堿性析氫性能。該研究結(jié)合多譜學(xué)技術(shù),為堿性HER在Ru基催化劑上的反應(yīng)過(guò)程提供了新認(rèn)知,也為從協(xié)同動(dòng)力學(xué)調(diào)控角度出發(fā)獲得高效電催化劑提供了新策略。