水電解制氫是一種產生高純度氫氣的有效、環(huán)保的途徑。與酸性水電解相比，在堿性介質中進行的析氫反應(HER)更經(jīng)濟有效和穩(wěn)定(特別是在高電流密度下)，有助于實現(xiàn)大規(guī)模水電解產氫。然而，由于需要額外的Volmer步驟(H₂O+e^??H_ad+OH^?)，堿性HER動力學比酸性介質中的低兩個數(shù)量級。因此，開發(fā)高效的堿性HER催化劑來提高反應動力學具有重要意義。釕(Ru)基催化劑由于其與Pt相似的氫吸附自由能，近年來在堿性水電解過程中得到了廣泛的研究。

然而，貴金屬的低儲量和高成本嚴重限制了它們的廣泛應用。單原子催化劑(SACs)在減少金屬的使用量和實現(xiàn)對貴金屬的最大利用方面具有很大的優(yōu)勢。一些研究表明，Ru單原子對Volmer步驟中產生的OH表現(xiàn)出很強的吸附作用，從而導致催化劑表面中毒，降低HER反應速率。因此，確定一個合適的具有強大水解離能力的載體來負載Ru單原子對提高HER催化活性至關重要。

近日，清華大學李亞棟、貝爾法斯特女王大學胡培君、溫州大學李新華和陳偉等在具有豐富缺陷的Mo₂C納米片陣列(NSAs)上構建單原子Ru位點(Ru₁-Mo₂C)，并研究了其協(xié)同催化機理。

密度泛函理論(DFT)計算表明，在Ru₁-Mo₂C中引入Ru單原子引起的電荷再分配優(yōu)化了遠離費米能級的d帶中心，有利于激活H*和隨后的H₂解吸；此外，Ru₁-Mo₂C上的Mo活性位點和Ru單原子分別對H₂O和H*表現(xiàn)出良好的吸附親和性，通過可逆的氫溢出機制協(xié)同促進HER的H₂O解離和氫重組。

電化學性能測試結果顯示，Ru₁-Mo₂C催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的HER過電位僅為10.8 mV，質量活性為8.67 A mg_PGM^?1 (100 mV)，是商用Pt/C催化劑的16.7倍。

此外，以Ru₁-Mo₂C作為陰極催化劑的AEMWE裝置僅需1.83 V的低電壓就能產生1.0 A cm^?2的電流密度，并且可以在500 mA cm^-2下連續(xù)穩(wěn)定運行200小時，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性?？偟膩碚f，該項工作不僅加深了對堿性HER催化機理的理解，而且為開發(fā)高效催化劑提供了有價值的指導。

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