開發高效、穩定、經濟的電催化劑對電解水制氫的發展至關重要。鑒于Ru（釕）具有成本相對低廉和適宜的金屬-氫鍵強度，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，青島能源所江河清研究員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Applied Catalysis B: Environmental《應用催化B：環境》期刊上。
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不僅加速了水的解離過程，而且優化了金屬對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，所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，本工作也探究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。
圖1 氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑NMC-RuSA+NC
聯合培養研究生姚涵旭為第一作者，通訊作者是江河清研究員和中國海洋大學黃明華教授。相關工作得到了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。
Hanxu Yao, Xingkun Wang, Kai Li, Cheng Li, Canhui Zhang, Jian Zhou, Zhengwen Cao, Huanlei Wang, Meng Gu, Minghua Huang and Heqing Jiang, Strong Electronic Coupling Between Ruthenium Single Atoms and Ultrafine Nanoclusters Enables Economical and Effective Hydrogen Production, Applied Catalysis B: Environmental, (2022) DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121378
