大连理工大学Nature子刊：单原子催化剂，达到工业电流密度

氢气作为一种可持续能源，是传统化石燃料的替代品，可以缓解温室气体带来的环境问题。电化学全解水是利用电催化剂制备氢燃料的有效途径。目前Pt和Ir/Ru氧化物基催化剂是析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的有效催化剂。但其成本高、稳定性差，限制了其大规模应用。因此，制备高效、低成本的电催化剂至关重要。

在各种材料中，含有不同金属(如Co、Ni、Fe等)的三维过渡金属基层状双氢氧化物(LDHs)具有独特的层状结构和丰富的活性位点，是很有前途的电催化剂。例如，基于Fe, Co, Ni, Zn和Mn的LDHs已经被广泛研究为OER催化剂，NiFe, NiV和CoFe LDHs具有较高的OER活性。为了优化LDHs的催化活性，已经通过调控形态、缺陷形成、电荷转移等发展了不同的策略，然而，利用缺陷工程控制LDH活性位点的结构，并建立缺陷与电催化性能之间的相关性仍然是一个挑战。

大连理工大学侯军刚教授课题组在Nature Communications上发表重要文章，Engineering single-atomic ruthenium catalytic sites on defective nickel-iron layered double hydroxide for overall water splitting，报道了他们在全解水单原子催化剂上取得的进展。

在这项工作中，作者利用直接、实用的方法合成了单原子钌稳定的、带缺陷的NiFe-LDH催化剂，通过简单的电沉积和随后的蚀刻过程合成。球差校正透射电子显微镜和X射线吸收精细结构(XAFS)光谱分析表明，Ni、Fe和Ru位存在Ru单原子和深度局域原子结构。虽然Ru和NiFe-LDH被认为是活性的OER催化剂，在HER中，合成的Ru₁/D-NiFe LDH在过电位为18 mV时，电流密度为10 mA cm⁻²，在过电位为100 mV时，周转率为7.66 s⁻¹(比工业Pt/C催化剂高45倍)。

受HER和OER性能的启发，将其用于在碱性介质中全解水，由Ru₁/D-NiFe LDH组装的双电极池在1.72 V的低电压下达到500 mA cm⁻²的工业电流密度。密度泛函理论(DFT)计算表明，Ru₁/D-NiFe LDH优化了HER对H吸附能的有利调节，并由于Ru-O部分的存在促进了O-O耦合。

此外，丰富的活性位点加速了水裂解动力学，从而增强了HER和OER活性。该工作也为进一步深入研究缺陷NiFe LDH纳米片上孤立的Ru单原子在促进电催化性能中的作用奠定了良好的基础。

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