具有低腐蝕性和高電流密度等優點的陰離子交換膜(AEM)電解槽最近受到了廣泛的關注。然而，在高電流密度下，析氫反應(HER)催化劑的高成本和穩定性較差的問題限制了AEM電解槽的實際應用。具有高原子利用率的單原子催化劑(SACs)被認為是減少貴金屬使用和保持穩定催化活性的理想的候選者。

值得注意的是，在HER過程中，SACs表面金屬原子與反應中間體表現出非共價的相互作用，導致各種離子的分布不均勻，形成有利于HER的局部酸性環境，表明SACs活性位點周圍的局部微環境與HER反應活性密切相關。因此，通過改善金屬活性中心的理化性質，可以操縱SACs的局部反應環境，這為優化微環境以提高催化活性提供了可行性。然而，揭示單原子位點與界面微環境之間的相互作用仍然具有挑戰性。

近日，南京航空航天大學彭生杰課題組通過調節Ru SACs載體的結晶度來優化界面微環境，顯著提升了堿性HER性能。為了探索調制機理，研究人員將Ru單原子分別固定在低結晶度(Ru-LC-Ni(OH)₂)和高結晶度(Ru-HC-Ni(OH)₂)的Ni(OH)₂上。Ru-LC-Ni(OH)₂的無序原子排列有助于離子快速擴散和電荷輸運，為單原子位點創造了理想的電子結構；同時，隨機取向的金屬懸空鍵和不飽和配位使Ru-LC-Ni(OH)₂具有較強的水解離能力，并在催化劑表面形成大量的H₃O⁺。

這種獨特的金屬-載體相互作用抑制了單個原子的電子損失，促進了H₃O⁺在Ru位點周圍的聚集，從而產生了一個類似酸性的微環境，緩解了催化過程對pH的依賴。相反，Ru-HC-Ni(OH)₂的水解離活性有限，導致單原子位點中毒，減慢了HER反應速率。

因此，在1.0 M KOH溶液中，Ru-LC-Ni(OH)₂催化劑達到10和1000 mA cm^?2電流密度所需的HER過電位分別僅為9和136 mV。同時，該催化劑可分別在10、500和1000 mA cm^?2電流密度下連續運行500、300和50小時；此外，Ru-LC-Ni(OH)₂催化劑在3000次循環后的性能衰減可以忽略不計。

更重要的是，在堿性海水電解質中，利用Ru-LC-Ni(OH)₂催化劑組裝的AEM電解槽能夠在500 mA cm^?2下穩定運行500小時，顯示出良好的實際應用潛力。總的來說，該項研究強調了通過載體結晶度來調節SACs微環境的可行性，為合理設計高性能催化材料提供了思路。

Manipulating the microenvironment of single atoms by switching support crystallinity for industrial hydrogen evolution. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202317220