青島能源所等開發出低成本高效析氫電催化劑

氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑NMC-Ru_SA+NC

開發高效、穩定、經濟的電催化劑對電解水制氫的發展十分重要。鑒于Ru（釕）具有成本相對低廉和適宜金屬-氫鍵強度的優勢，Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關注，其中構建多耦合活性位點已被認為是促進析氫動力學的有效途徑。但是在提高催化劑質量活性時，如何同時實現高通量制氫成為催化劑設計的瓶頸問題。

近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領的膜分離與催化研究組與中國海洋大學等單位合作開發出一種氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑（NMC-RuSA+NC），相關研究成果發表在《應用催化B：環境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。

科研人員研究發現催化劑中Ru主要以單原子RuN4結構以及Ru納米團簇的形式存在，二者之間存在電子轉移現象。密度泛函理論計算結果表明，Ru納米團簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應加速了水的解離過程，并且優化了金屬對H*的吸附強度，從而提高了催化析氫活性。此外，該催化劑的分等級多孔結構可以加速反應物到活性位點的傳輸，并及時釋放生成的氫氣。得益于獨特的分等級多孔結構和強電子耦合效應，研究開發的催化劑在堿性和酸性條件下表現出優異的電催化析氫性能，并能夠在低過電位下實現工業化水平的大電流密度（> 500 mA cm-2）。此外，該工作也探究了催化劑實際工業化的應用前景，所開發的NMC-RuSA+NC催化劑具有比商業Pt/C催化劑更高的質量活性和更低的制氫成本，展示了其在工業電解水制氫中的應用潛力，為高通量、低成本析氫電催化劑的設計提供了新的見解和思路。

研究工作得到國家自然科學基金和山東省重點研發計劃（重大科技創新工程）項目的資助。