碱性水电解体系中的阴极析氢反应(HER)是实现高纯绿色氢能规模化生产的经济有效的途径。然而，通常需要高效的催化剂来加速反应动力学和降低碱性HER的过电位(η)。催化剂的析氢性能主要取决于其水吸附/解离能力和吸附反应中间体(OH*和H*)的转移动力学。近年来，钌(Ru)基催化剂在碱性析氢反应中受到越来越多的关注，但其在安培级电流密度下的性能并不理想。因此，为了满足安培级电流密度下工业析氢反应的应用需求，设计能够同时优化水吸附/解离能力和吸附反应中间体(OH*和H*)转移动力学的高性能催化剂迫在眉睫。
近日，中国海洋大学黄明华和中国科学院青岛生物能源与过程研究所曹正文等通过在分级氮掺杂介孔碳上构建RuCo纳米合金和双金属单原子(RuCo@RuSACoSA-NMC)，实现了复杂的Volmer/Tafe动力学的同步修饰，从而获得了优异的安培级电流密度产氢性能。RuCo@RuSACoSA-NMC具有以下优点：1.含有两种不同金属单原子的双金属单原子结构可以改变活性位点的电荷分布，有利于提高中间体的吸附能力和后续的催化性能；2.3d过渡金属与贵金属合金化不仅可以改变催化剂的局域电子结构，而且可以减少贵金属的用量，从而实现氢吸附能的优化，提高催化剂的脱氢活性。基于密度泛函理论(DFT)计算和实验分析，研究人员发现RuCo@RuSACoSA-NMC上双金属单原子中Ru位点的电子结构可以被相邻Co位点和RuCo纳米合金协同调控，使其达到更快的Volmer动力学，以及具有更快的水吸附/解离和向吸附羟基的转移速率；而RuCo纳米合金中的Ru位点由相邻的合金化C和双金属单原子双重调控，具有优化的Tafel动力学，提高了向吸附氢的转移速率。这些独特的性质使RuCo@RuSACoSA-NMC能够在安培级电流密度下获得增强的HER动力学和活性。具体而言，RuCo@RuSACoSA-NMC在10 mA cm−2和1 A cm−2下分别具有5 mV和255 mV的低过电位。此外，在150 mV的过电位下，它还具有37.2 A mgRu-1的超高质量活性和19.5 s-1的转换频率，以及在1A cm-2下超过24天的稳定性。综上，该项研究证明了RuCo@RuSACoSA-NMC催化剂在安培级电流密度下具有显著的工业应用优势，为高效碱性析氢催化剂的设计提供了参考。Double-Tuned RuCo Dual Metal Single Atoms and Nanoalloy with Synchronously Expedited Volmer/Tafel Kinetics for Effective and Ultrastable Ampere-Level Current Density Hydrogen Production. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202301804
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