氫能因具有高能量密度和無(wú)碳排放等特性，被認(rèn)為是化石燃料的可持續(xù)替代品。由風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源驅(qū)動(dòng)電解水制氫，被學(xué)界視為具有前景且可持續(xù)制備清潔氫燃料的方法。電化學(xué)水分解包含陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）與陰極析氫反應(yīng)（HER）兩個(gè)核心反應(yīng)。其中，鉑基催化劑在酸性介質(zhì)中展現(xiàn)出最高的內(nèi)在活性，但其在質(zhì)子交換膜電解槽中的廣泛應(yīng)用受到稀缺性和高成本的限制。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在常溫電解水催化劑研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究人員開發(fā)了具有優(yōu)異析氫活性的Ca?CoRuO?（CCRO）催化劑，并結(jié)合多種原位表征和理論計(jì)算，探討了該催化劑在析氫反應(yīng)中的反應(yīng)機(jī)理，揭示了其優(yōu)異活性的根源。

　　研究發(fā)現(xiàn)，Ru-H結(jié)合強(qiáng)度與Pt-H結(jié)合強(qiáng)度相近，這表明 Ru基材料有望應(yīng)用于設(shè)計(jì)高效的HER催化劑。在過(guò)去十年間，釕的價(jià)格大約為鉑價(jià)格的30%，顯示出其作為替代材料的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。研究人員通過(guò)在鈣鈦礦B位引入Co元素，合成出CCRO催化劑，降低了催化劑中貴金屬含量，并顯著增強(qiáng)了Co-Ru之間的協(xié)同效應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能。

　　同時(shí)，活化后的CCRO催化劑在1 A cm−2的高電流密度下表現(xiàn)出較低的過(guò)電位和塔菲爾斜率，且CCRO催化劑在組裝的質(zhì)子交換膜電解槽中，可在 1 A cm−2 的電流密度下保持超1500小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)一步，原位 X 射線吸收光譜、拉曼光譜及 X 射線衍射光譜揭示了CCRO在反應(yīng)過(guò)程中兩步原位轉(zhuǎn)變過(guò)程，即在HER過(guò)程下，原始CCRO在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)從Ru5+/Co3+被還原為Ru3+/Co2+。隨后，催化劑逐漸發(fā)生自組裝過(guò)程，在CCRO基底上形成鈷釕金屬納米結(jié)構(gòu)（Co-Ru/CCRO）。理論計(jì)算表明，Co-Ru結(jié)構(gòu)內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)與氫溢流機(jī)制是其具有優(yōu)異HER活性的根本原因。

　　這一研究提出了具有優(yōu)異HER活性的新型高效催化劑，并揭示了其獨(dú)特的原位重構(gòu)機(jī)制。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的支持。

催化的反應(yīng)機(jī)理示意圖