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目前，尋找一種有前途的能源載體來取代傳統化石燃料，對于解決環境惡化和資源枯竭問題極為重要。氫氣(H₂)具有無污染物排放、能量密度高等優點，被認為是最合適的化石燃料替代品。同時，以可再生能源為動力的電化學分解水為高效制氫提供了一條綠色、可持續的途徑。與在酸性介質中進行的水電解相比，堿性水電解技術具有設備穩固、電解槽結構廉價等優點，目前在實際工業中更為普遍和可行。

然而，堿性電解質中的陰極析氫反應(HER)涉及水解離過程(Volmer步驟)和氫結合過程(Heyrovsky或Tafel步驟)，其中Volmer步驟的緩慢動力學將嚴重限制整體水分解性能。因此，尋找一種高效的堿性HER電催化劑對于加速這一限制性阻礙具有重要意義。

近日，同濟大學馬吉偉、楊孟昊、柏林工業大學Peter Strasser和德國馬克斯·普朗克固體化學物理研究所胡志偉等將單個Pt單金屬原子摻雜到異質界面Ru/RuO₂載體中(Pt-Ru/RuO₂)，作為高活性和成本效益的堿性水電解槽陰極。

實驗結果表明，這種低Pt含量的催化劑在10 mA cm^?2和250 mA cm^?2電流密度下的HER過電位分別僅為18 mV和63 mV，優于最近報道的貴金屬和非貴金屬電催化劑。此外，在過電位為63 mV時，Pt-Ru/RuO₂的催化活性是商業Pt/C和Ru/C的16倍以上，并且該材料具有超過100小時的長期穩定性，反應過程中活性損失可忽略不計。

同時，研究人員通過各種實驗、原位表征和密度泛函理論(DFT)計算對相應的機理進行了探討，證實了載體中所有孤立的Pt原子、Ru和RuO₂對堿性HER的激活起著至關重要的作用。具體而言，RuO₂加速了緩慢的水解離步驟，隨后Pt單原子和Ru位點促進了氫結合步驟，協同提升了Pt-Ru/RuO₂的活性。

此外，利用Pt-Ru/RuO₂和NiFe LDH組裝的陰離子交換膜水電解槽(AEMWE)只需要1.90 V的電池電壓就可以達到1 A cm^?2的大電流密度，遠遠優于Pt/C基材料。

Facilitating alkaline hydrogen evolution reaction on the hetero-interfaced Ru/RuO₂ through Pt single atoms doping. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45654-9

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