电子耦合活化单原子钌用于高性能电解水催化剂

　　氢能作为一种新能源，由于其存储能能量密度高，清洁无污染，受到大家的广为关注，然而对于氢能源的开发却面临着巨大的挑战。目前在众多的生产工艺中，从水中电解制氢工艺较为简单且制备的氢气纯度较高，它主要包括氢析出反应(HER )和氧析出反应(OER)。其中OER因其为复杂的四电子转移过程受到了研究者的广泛关注。但目前应用于催化OER的商业化贵金属催化剂（Ru、Ir）存在着价格昂贵及稳定性差等问题，严重限制了其在电解水等领域的发展。单原子催化剂由于最大化的原子利用率，以及高配位不饱和度带来的独特活性，成为解决电解水催化剂现存问题的不二之选。但是如何高效制备稳定的单原子催化剂，如何使单原子催化剂最大程度展现其活性成为了目前研究的挑战问题。北京化工大学孙晓明教授课题组，借助水滑石于单元子钌间的电子相互作用实现了高性能电解水析氧催化剂的制备并对其进行了详细的研究，相关成果发表在2019年4月12日的《Nature Communications》上： https://doi.org/10.1038/s41467-019-09666-0。 

　　该研究组借助含有过渡态非贵金属的水滑石作为基底，通过沉淀法成功制备负载型单原子钌催化剂，利用单原子钌和水滑石间的强的电子相互作用开发了高效且稳定单原子钌催化剂。单原子钌负载到钴铁水滑石表面（钌含量仅为0.45 wt.%）后，不仅降低了催化剂的成本而且使催化剂表现出高的活性和稳定性。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站的X射线吸收谱分析，作者确认了单原子钌是通过氧桥键与水滑石层板上的钴或铁原子相连，并且经过对数据的拟合确认了单原子钌第一壳层的氧配位数为3.9±0.7，揭开了此种单原子材料结构的神秘面纱。经过吸收边能量的拟合确认了单原子钌的价态为+1.6价，处于特殊的化学状态，有利于电解水析氧活性的表达。作者表示同步辐射对单原子钌状态的确认提供了很大帮助。 

　　在OER过程中，其10mA/cm₂电流密度下的过电位仅为198 mV，Tafel斜率仅为39 mV dec^-1，性能远远优于钴铁水滑石以及商业RuO₂催化剂。此外，该催化剂也展现出优异的稳定性，在给定的工作电压下, 经过24小时的催化后，初始电流仅衰减1%。这一性能的提高主要归因于单原子钌和钴铁水滑石间的电子相互作用，优化了钌活性位点的电子结构，提高了催化活性。后续经过原位测试分析，作者发现钌在OER工作过程中可以被钴铁水滑石稳定在低于4价的状态，避免了钌的溶解，保持了催化剂持久高效性。该新型单原子钌负载在钴铁水滑石表面的催化剂材料在未来新型电解水催化剂领域具有很大的应用潜力。 

　　发表文章： 

　　Pengsong Li, Maoyu Wang, Xinxuan Duan, Lirong Zheng, Xiaopeng Cheng, Yuefei Zhang, Yun Kuang, Yaping Li, Qing Ma, Zhenxing Feng*, Wen Liu*, and Xiaoming Sun*, Boosting oxygen evolution of single-atomic ruthenium through electronic coupling with cobalt-iron layered double hydroxides, Nature Communications , 2019, 10, 1711.