科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳
4月13日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所江河清研究員帶領(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Ru（釕）單原子和納米團(tuán)簇催化劑（NMC-RuSA+NC），相關(guān)研究成果發(fā)表在《應(yīng)用催化B：環(huán)境》期刊上。該研究所聯(lián)合培養(yǎng)研究生姚涵旭為第一作者，通訊作者是該研究所江河清和中國海洋大學(xué)黃明華教授。
氮摻雜介孔碳負(fù)載Ru單原子和納米團(tuán)簇催化劑NMC-RuSA+NC 圖/姚涵旭
開發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展至關(guān)重要。鑒于Ru具有成本相對低廉和適宜的金屬-氫鍵強(qiáng)度，Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關(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。
記者了解到，科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN4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。密度泛函理論計算結(jié)果表明，Ru納米團(tuán)簇和Ru單原子之間的強(qiáng)電子耦合效應(yīng)不僅加速了水的解離過程，而且優(yōu)化了金屬對H*的吸附強(qiáng)度，從而提高了催化析氫活性。此外，該催化劑的分等級多孔結(jié)構(gòu)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。得益于獨(dú)特的分等級多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電子耦合效應(yīng)，所開發(fā)的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，并能夠在低過電位下實現(xiàn)工業(yè)化水平的大電流密度（>500mA/cm2）。
據(jù)科研人員介紹，本工作也探究催化劑實際工業(yè)化的應(yīng)用前景，所開發(fā)的NMC-RuSA+NC催化劑具有比商業(yè)Pt/C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。
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