近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領(lǐng)的膜分離與催化研究組與中國海洋大學(xué)等單位合作開發(fā)出一種氮摻雜介孔碳負(fù)載釕(Ru)單原子和納米團(tuán)簇催化劑。該催化劑在堿性和酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氫性能，能夠在低過電位下實現(xiàn)工業(yè)化水平的大電流密度。
科研人員研究發(fā)現(xiàn)，催化劑中Ru主要以四氮化釕結(jié)構(gòu)以及Ru納米團(tuán)簇的形式存在，二者之間存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。經(jīng)理論計算結(jié)果表明，Ru納米團(tuán)簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應(yīng)加速了水的解離過程，并且優(yōu)化了金屬對H+的吸附強度，從而提高了催化析氫活性。該催化劑的分等級多孔結(jié)構(gòu)還可以加速反應(yīng)物到活性位點的傳輸，并及時釋放生成的氫氣。
此外，該工作也探究了催化劑實際工業(yè)化的應(yīng)用前景，所開發(fā)的催化劑具有比商業(yè)催化劑更高的質(zhì)量活性和更低的制氫成本，展示了其在工業(yè)電解水制氫中的應(yīng)用潛力，為高通量、低成本析氫電催化劑的設(shè)計提供了新的見解和思路。
研發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展十分重要。鑒于Ru具有成本相對低廉和適宜金屬—氫鍵強度的優(yōu)勢，Ru基析氫電催化劑引起了關(guān)注，其中構(gòu)建多耦合活性位點已被認(rèn)為是促進(jìn)析氫動力學(xué)的有效途徑。但是在提高催化劑質(zhì)量活性時，如何同時實現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設(shè)計的瓶頸問題。
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