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?Nature子刊：Pt單原子摻雜到Ru/RuO2中，顯著促進(jìn)堿性析氫反應(yīng)

目前，尋找一種有前途的能源載體來取代傳統(tǒng)化石燃料，對(duì)于解決環(huán)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(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最合適的化石燃料替代品。同時(shí)，以可再生能源為動(dòng)力的電化學(xué)分解水為高效制氫提供了一條綠色、可持續(xù)的途徑。與在酸性介質(zhì)中進(jìn)行的水電解相比，堿性水電解技術(shù)具有設(shè)備穩(wěn)固、電解槽結(jié)構(gòu)廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，目前在實(shí)際工業(yè)中更為普遍和可行。

然而，堿性電解質(zhì)中的陰極析氫反應(yīng)(HER)涉及水解離過程(Volmer步驟)和氫結(jié)合過程(Heyrovsky或Tafel步驟)，其中Volmer步驟的緩慢動(dòng)力學(xué)將嚴(yán)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(duì)于加速這一限制性阻礙具有重要意義。

近日，同濟(jì)大學(xué)馬吉偉、楊孟昊、柏林工業(yè)大學(xué)Peter Strasser和德國馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所胡志偉等將單個(gè)Pt單金屬原子摻雜到異質(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)于最近報(bào)道的貴金屬和非貴金屬電催化劑。此外，在過電位為63 mV時(shí)，Pt-Ru/RuO₂的催化活性是商業(yè)Pt/C和Ru/C的16倍以上，并且該材料具有超過100小時(shí)的長期穩(wěn)定性，反應(yīng)過程中活性損失可忽略不計(jì)。

同時(shí)，研究人員通過各種實(shí)驗(yàn)、原位表征和密度泛函理論(DFT)計(jì)算對(duì)相應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了探討，證實(shí)了載體中所有孤立的Pt原子、Ru和RuO₂對(duì)堿性HER的激活起著至關(guān)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(diǎn)促進(jìn)了氫結(jié)合步驟，協(xié)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(dá)到1 A cm^?2的大電流密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)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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