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?海大/青能所AFM：RuCo雙單原子和合金同步加速反應動力學，實現(xiàn)安培級電流密度穩(wěn)定析氫

堿性水電解體系中的陰極析氫反應(HER)是實現(xiàn)高純綠色氫能規(guī)模化生產的經濟有效的途徑。然而，通常需要高效的催化劑來加速反應動力學和降低堿性HER的過電位(η)。催化劑的析氫性能主要取決于其水吸附/解離能力和吸附反應中間體(OH*和H*)的轉移動力學。

近年來，釕(Ru)基催化劑在堿性析氫反應中受到越來越多的關注，但其在安培級電流密度下的性能并不理想。因此，為了滿足安培級電流密度下工業(yè)析氫反應的應用需求，設計能夠同時優(yōu)化水吸附/解離能力和吸附反應中間體(OH*和H*)轉移動力學的高性能催化劑迫在眉睫。

近日，中國海洋大學黃明華和中國科學院青島生物能源與過程研究所曹正文等通過在分級氮摻雜介孔碳上構建RuCo納米合金和雙金屬單原子(RuCo@Ru_SACo_SA-NMC)，實現(xiàn)了復雜的Volmer/Tafe動力學的同步修飾，從而獲得了優(yōu)異的安培級電流密度產氫性能。

RuCo@Ru_SACo_SA-NMC具有以下優(yōu)點：1.含有兩種不同金屬單原子的雙金屬單原子結構可以改變活性位點的電荷分布，有利于提高中間體的吸附能力和后續(xù)的催化性能；2.3d過渡金屬與貴金屬合金化不僅可以改變催化劑的局域電子結構，而且可以減少貴金屬的用量，從而實現(xiàn)氫吸附能的優(yōu)化，提高催化劑的脫氫活性。

基于密度泛函理論(DFT)計算和實驗分析，研究人員發(fā)現(xiàn)RuCo@Ru_SACo_SA-NMC上雙金屬單原子中Ru位點的電子結構可以被相鄰Co位點和RuCo納米合金協(xié)同調控，使其達到更快的Volmer動力學，以及具有更快的水吸附/解離和向吸附羥基的轉移速率；而RuCo納米合金中的Ru位點由相鄰的合金化C和雙金屬單原子雙重調控，具有優(yōu)化的Tafel動力學，提高了向吸附氫的轉移速率。

這些獨特的性質使RuCo@Ru_SACo_SA-NMC能夠在安培級電流密度下獲得增強的HER動力學和活性。具體而言，RuCo@Ru_SACo_SA-NMC在10 mA cm^?2和1 A cm^?2下分別具有5 mV和255 mV的低過電位。

此外，在150 mV的過電位下，它還具有37.2 A mg_Ru^-1的超高質量活性和19.5 s^-1的轉換頻率，以及在1A cm^-2下超過24天的穩(wěn)定性。綜上，該項研究證明了RuCo@Ru_SACo_SA-NMC催化劑在安培級電流密度下具有顯著的工業(yè)應用優(yōu)勢，為高效堿性析氫催化劑的設計提供了參考。

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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