氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑NMC-Ru_SA+NC

開發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展十分重要。鑒于Ru（釕）具有成本相對低廉和適宜金屬-氫鍵強度的優(yōu)勢，Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關(guān)注，其中構(gòu)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(zhì)量活性時，如何同時實現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設(shè)計的瓶頸問題。

近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領(lǐng)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單原子和納米團簇催化劑（NMC-RuSA+NC），相關(guān)研究成果發(fā)表在《應用催化B：環(huán)境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。

科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN4結(jié)構(gòu)以及Ru納米團簇的形式存在，二者之間存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。密度泛函理論計算結(jié)果表明，Ru納米團簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應加速了水的解離過程，并且優(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和強電子耦合效應，研究開發(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（> 500 mA cm-2）。此外，該工作也探究了催化劑實際工業(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(zhì)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(shè)計提供了新的見解和思路。

研究工作得到國家自然科學基金和山東省重點研發(fā)計劃（重大科技創(chuàng)新工程）項目的資助。