Nature子刊：Pt单原子掺杂到Ru/RuO2中，显著促进碱性析氢反应

目前，寻找一种有前途的能源载体来取代传统化石燃料，对于解决环境恶化和资源枯竭问题极为重要。氢气(H₂)具有无污染物排放、能量密度高等优点，被认为是最合适的化石燃料替代品。同时，以可再生能源为动力的电化学分解水为高效制氢提供了一条绿色、可持续的途径。与在酸性介质中进行的水电解相比，碱性水电解技术具有设备稳固、电解槽结构廉价等优点，目前在实际工业中更为普遍和可行。

然而，碱性电解质中的阴极析氢反应(HER)涉及水解离过程(Volmer步骤)和氢结合过程(Heyrovsky或Tafel步骤)，其中Volmer步骤的缓慢动力学将严重限制整体水分解性能。因此，寻找一种高效的碱性HER电催化剂对于加速这一限制性阻碍具有重要意义。

近日，同济大学马吉伟、杨孟昊、柏林工业大学Peter Strasser和德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所胡志伟等将单个Pt单金属原子掺杂到异质界面Ru/RuO₂载体中(Pt-Ru/RuO₂)，作为高活性和成本效益的碱性水电解槽阴极。

实验结果表明，这种低Pt含量的催化剂在10 mA cm⁻²和250 mA cm⁻²电流密度下的HER过电位分别仅为18 mV和63 mV，优于最近报道的贵金属和非贵金属电催化剂。此外，在过电位为63 mV时，Pt-Ru/RuO₂的催化活性是商业Pt/C和Ru/C的16倍以上，并且该材料具有超过100小时的长期稳定性，反应过程中活性损失可忽略不计。

同时，研究人员通过各种实验、原位表征和密度泛函理论(DFT)计算对相应的机理进行了探讨，证实了载体中所有孤立的Pt原子、Ru和RuO₂对碱性HER的激活起着至关重要的作用。具体而言，RuO₂加速了缓慢的水解离步骤，随后Pt单原子和Ru位点促进了氢结合步骤，协同提升了Pt-Ru/RuO₂的活性。

此外，利用Pt-Ru/RuO₂和NiFe LDH组装的阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)只需要1.90 V的电池电压就可以达到1 A cm⁻²的大电流密度，远远优于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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