水電解制氫是一種產生高純度氫氣的有效、環保的途徑。與酸性水電解相比，在堿性介質中進行的析氫反應(HER)更經濟有效和穩定(特別是在高電流密度下)，有助于實現大規模水電解產氫。然而，由于需要額外的Volmer步驟(H₂O+e^??H_ad+OH^?)，堿性HER動力學比酸性介質中的低兩個數量級。因此，開發高效的堿性HER催化劑來提高反應動力學具有重要意義。釕(Ru)基催化劑由于其與Pt相似的氫吸附自由能，近年來在堿性水電解過程中得到了廣泛的研究。

然而，貴金屬的低儲量和高成本嚴重限制了它們的廣泛應用。單原子催化劑(SACs)在減少金屬的使用量和實現對貴金屬的最大利用方面具有很大的優勢。一些研究表明，Ru單原子對Volmer步驟中產生的OH表現出很強的吸附作用，從而導致催化劑表面中毒，降低HER反應速率。因此，確定一個合適的具有強大水解離能力的載體來負載Ru單原子對提高HER催化活性至關重要。

近日，清華大學李亞棟、貝爾法斯特女王大學胡培君、溫州大學李新華和陳偉等在具有豐富缺陷的Mo₂C納米片陣列(NSAs)上構建單原子Ru位點(Ru₁-Mo₂C)，并研究了其協同催化機理。

密度泛函理論(DFT)計算表明，在Ru₁-Mo₂C中引入Ru單原子引起的電荷再分配優化了遠離費米能級的d帶中心，有利于激活H*和隨后的H₂解吸；此外，Ru₁-Mo₂C上的Mo活性位點和Ru單原子分別對H₂O和H*表現出良好的吸附親和性，通過可逆的氫溢出機制協同促進HER的H₂O解離和氫重組。

電化學性能測試結果顯示，Ru₁-Mo₂C催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的HER過電位僅為10.8 mV，質量活性為8.67 A mg_PGM^?1 (100 mV)，是商用Pt/C催化劑的16.7倍。

此外，以Ru₁-Mo₂C作為陰極催化劑的AEMWE裝置僅需1.83 V的低電壓就能產生1.0 A cm^?2的電流密度，并且可以在500 mA cm^-2下連續穩定運行200小時，表現出優異的耐久性。總的來說，該項工作不僅加深了對堿性HER催化機理的理解，而且為開發高效催化劑提供了有價值的指導。

Reversible hydrogen spillover at atomic interface for efficient alkaline hydrogen evolution. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D3EE02760K