水电解制氢是一种产生高纯度氢气的有效、环保的途径。与酸性水电解相比，在碱性介质中进行的析氢反应(HER)更经济有效和稳定(特别是在高电流密度下)，有助于实现大规模水电解产氢。然而，由于需要额外的Volmer步骤(H₂O+e⁻⇋H_ad+OH⁻)，碱性HER动力学比酸性介质中的低两个数量级。因此，开发高效的碱性HER催化剂来提高反应动力学具有重要意义。钌(Ru)基催化剂由于其与Pt相似的氢吸附自由能，近年来在碱性水电解过程中得到了广泛的研究。

然而，贵金属的低储量和高成本严重限制了它们的广泛应用。单原子催化剂(SACs)在减少金属的使用量和实现对贵金属的最大利用方面具有很大的优势。一些研究表明，Ru单原子对Volmer步骤中产生的OH表现出很强的吸附作用，从而导致催化剂表面中毒，降低HER反应速率。因此，确定一个合适的具有强大水解离能力的载体来负载Ru单原子对提高HER催化活性至关重要。

近日，清华大学李亚栋、贝尔法斯特女王大学胡培君、温州大学李新华和陈伟等在具有丰富缺陷的Mo₂C纳米片阵列(NSAs)上构建单原子Ru位点(Ru₁-Mo₂C)，并研究了其协同催化机理。

密度泛函理论(DFT)计算表明，在Ru₁-Mo₂C中引入Ru单原子引起的电荷再分配优化了远离费米能级的d带中心，有利于激活H*和随后的H₂解吸；此外，Ru₁-Mo₂C上的Mo活性位点和Ru单原子分别对H₂O和H*表现出良好的吸附亲和性，通过可逆的氢溢出机制协同促进HER的H₂O解离和氢重组。

电化学性能测试结果显示，Ru₁-Mo₂C催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下的HER过电位仅为10.8 mV，质量活性为8.67 A mg_PGM⁻¹ (100 mV)，是商用Pt/C催化剂的16.7倍。

此外，以Ru₁-Mo₂C作为阴极催化剂的AEMWE装置仅需1.83 V的低电压就能产生1.0 A cm⁻²的电流密度，并且可以在500 mA cm^-2下连续稳定运行200小时，表现出优异的耐久性。总的来说，该项工作不仅加深了对碱性HER催化机理的理解，而且为开发高效催化剂提供了有价值的指导。

Reversible hydrogen spillover at atomic interface for efficient alkaline hydrogen evolution. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D3EE02760K