单原子Ru催化剂高效催化酸性电解水产氢

　　工业上氢气制备是通过“甲烷水蒸气重整”的工艺，这个过程面临着CO2温室气体释放，对环境不友好。而电解水制氢工艺过程简单，无碳排放污染，是制备氢能源的下一代清洁方法。目前，电解水面临的最大问题是制氢成本。工业上电解水制氢成本是33-38元/千克，甲烷制氢的成本是19-22元/千克，因此未来要想推进电解水制氢取代甲烷制氢，就需要我们大力发展廉价高效的催化剂来降低电解水制氢成本。 

　　中国科学技术大学吴宇恩教授领导的团队利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了Ru单原子催化剂。在酸性OER中，该Ru单原子催化剂相对于商业RuO2过电位降低了~30%，稳定性提高了~10倍。该工作为如何解决Ru基催化剂在酸性氧化性条件下不稳定这一国际性难题提供了新的思路。相关研究成果以“Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis”为题，发表在国际顶尖催化期刊《Nature Catalysis》上，并被选为封面文章。 

　　图1 单原子催化剂合成示意图及文章封面图 

　　在该成果中利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站的XAFS实验手段对基底Pt、Cu的电子结构及配位环境进行了详细研究。课题组通过对Pt的近边（XANES）分析及扩展边（EXAFS）拟合，揭示了Pt是以金属态形式存在，主要配位形式是Pt-Pt/Cu。通过对Cu的近边（XANES）分析及扩展边（EXAFS）拟合，揭示了Cu的价态介于0~2价之间。又进一步利用原位同步辐射工具对催化剂的催化机理进行了探索。对于Pt基底来说，在酸性OER环境中，随着电位的升高（0~1.86 V），根据近边分析（XANES）可知，Pt的价态呈逐渐升高趋势。这表明，基底Pt向活性位点Ru转移电子，从而避免了Ru失去过量电子而失活，进一步使催化剂保持稳定的状态。 

　　图2 （a-c）Ru1-Pt3Cu的In-situ XAFS谱和（d）ex-situ EXAFS谱。 

　　发表文章： Yancai Yao, Sulei Hu, Wenxing Chen, Zheng-Qing Huang, Weichen Wei, Tao Yao, Ruirui Liu, Ketao Zang, Xiaoqian Wang, Geng Wu, Wenjuan Yuan, Tongwei Yuan, Baiquan Zhu, Wei Liu, Zhijun Li, Dongsheng He, Zhenggang Xue, Yu Wang, Xusheng Zheng, Juncai Dong, Chun-Ran Chang, Yanxia Chen, Xun Hong, Jun Luo, Shiqiang Wei, Wei-Xue Li*, Peter Strasser, Yuen Wu* and Yadong Li, Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis, 2019, 2, 304–313.