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21
2026
-
04
ACS Catalysis：通过单原子催化剂载体调控亚1nm钌团簇以实现阴离子交换膜水电解
作者：
第一作者：Tingting Li，Yuefeng Zhang，Shiqi Li，Hao Zhang
通讯作者：吴振禹、黄军林
通讯单位：南方科技大学，湖南理工大学
研究背景和意义
本研究针对碱性条件下析氢反应（HER）动力学缓慢、稳定性不足的问题，提出了一种通用催化剂设计策略：以单原子催化剂（Co-N-C）为锚定和电子调控基底，稳定亚纳米贵金属团簇。以Ru@Co-N-C为例，该催化剂在10 mA cm⁻²下过电位仅为15 mV，质量活性显著优于对比催化剂，并在AEMWE装置中表现出优异的长时稳定性。原位研究与理论计算表明，Co-N-C能有效稳定Ru团簇，优化水分子解离与OH*脱附过程。该策略可成功拓展至Ir、Pt、Pd等贵金属，为设计高性能电催化剂提供了新范式，有望推动下一代能源转换与存储技术的发展。
研究要点
要点1. 创新的通用催化剂设计策略
作者提出了一种全新的、通用的催化剂设计范式，即利用单原子催化剂（SAC，如Co-N-C）作为锚定和电子调控基底，来稳定亚纳米级的贵金属团簇。这一策略不仅通过强相互作用（如Ru-Co键）有效防止了团簇的迁移、团聚和脱落，还通过电子调控优化了团簇的催化性能，解决了碱性析氢反应中催化剂稳定性差和活性不足的核心难题。
要点2. *的催化性能与机理揭示
作为该策略的范例，所制备的Ru@Co-N-C催化剂在碱性析氢反应中表现出突破性的性能，例如在10 mA cm⁻²电流密度下仅需15 mV的超低过电位，并能在1 M KOH中稳定运行超过360小时。结合原位光谱研究和理论计算，作者明确揭示了性能提升的机理：Co-N-C单原子位点不仅锚定Ru团簇，还调控其电子结构，协同促进水的解离并优化中间体OH*的吸附/脱附能垒。
要点3. 策略的普适性与扩展性
该设计策略具有广泛的普适性。研究成功将其拓展至Ir、Pt、Pd等其他贵金属团簇，制备的M@Co-N-C催化剂均表现出比对应N-C基底负载催化剂更优异的析氢活性。这证明了“单原子锚定团簇”策略是一个可广泛适用于多种贵金属、有望用于设计高性能电催化剂的创新平台。
总结
综合所有实验评估，Ru@Co-N-C材料性能的提升主要体现在：
1.*的活性：在碱性HER中实现了*低的过电位和*高的质量活性，超越了多数报道的催化剂。
2.优异的稳定性：得益于Co-N-C基底通过强Ru-Co相互作用对亚纳米Ru簇的有效锚定与稳定，催化剂在长时间电解和AEMWE运行中均表现出结构稳定性和成分稳定性。
3.优化的反应路径： Co-N-C基底通过电子调制作用，协同优化了Ru位点对水分子解离、OH和H中间体的吸附能，降低了反应能垒，从而显著提升了本征活性与反应动力学。
4.实际应用潜力：在AEMWE单池测试中展现出的高性能与高稳定性，验证了该催化剂设计策略走向实际应用的可行性。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/W6d9xkoY5sYO7QM3bUM9HQ
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