第一作者：李春峰
通讯作者：苏进展*，汪磊*，刘斌*
通讯单位：新加坡国立大学，西安交通大学
论文DOI：10.1002/adma.202500416
再生燃料电池可将电能转化为氢气，并能将氢气逆转化为电能。该类型系统在高效、大规模储能方面具有巨大的潜力，对可再生能源的有效利用至关重要。然而，目前再生燃料电池的发展却因能量的转换效率不尽人意以及成本高昂而受到阻碍。要应对这一挑战，就必须开发出具有更高成本效益的多功能电催化剂。本研究开发了一种碳纳米管（CNT）支撑的低 Ru 含量的 RuNi复合材料，作为一种高效稳定的电催化剂，并用于碱性氢氧电催化，这其中包括HER、OER、HOR和ORR。此外，催化剂复合材料还在再生燃料电池系统中进行了性能评估。该系统在电解槽和燃料电池模式下均表现出卓越的性能。测试结果表明，在电解槽模式下，该系统以 1.64 V 的低电池电压实现 1 A cm
-2
的电流密度，而在燃料电池模式下，在相同的电流密度下可以达到0.52 V 的输出电压，从而在该电流密度的条件下再实现了 31.6% 的往返效率 (RTE)。本研究显示了使用 RuNi 催化剂复合材料作为单一催化剂驱动再生燃料电池的潜力。
利用可再生能源（如太阳能、风能和地热能）所得到的电力制氢虽然更具可持续性和经济性，但该类能源的间歇性会导致氢气供应不稳定，进而影响后续能量转换和利用的过程。为解决这一问题，需要高效的大规模储能与转换系统，如再生燃料电池系统（RFCs）。然而可再生燃料电池中催化剂的活性与成本仍然是制约该类系统大规模应用的棘手问题之一，特别是在工业级别的电流密度下。
(1) 单一催化剂实现高活性催化多种反应。本研究利用钌作为活性组分，并通过金属-载体相互作用和活性位点的电子态调节，极大地提高了催化剂在多个电催化反应中的催化活性，包括HER、OER、HOR和ORR。
(2) 材料中的金属组分与碳纳米管之间存在着强金属-基底效应，因此金属组分以极小尺寸的颗粒分布于碳纳米管表面，所合成的催化剂的钌含量仅为1.25 wt%。较低的贵金属使用量以及钌低于传统铂基催化剂的成本，有利于实现低成本的氢生产以及后续的转化利用。
(3) 在工业级别电流密度的可再生燃料电池系统中，以所制备的RuNi复合材料作为催化剂的系统在400 和 700 mA cm
-2
的电流密度下取得了46.0% 和 39.0% 的能量往返效率（RTE），高于Pt/C+RuO
2
所组装的系统（RTE分别为44.9% 和 37.5%）。值得注意的是，在1 A cm
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的高电流密度下，基于RuNi催化剂的系统仍然取得了31.6%效率。
图1. 催化剂的合成与形貌研究。
图1表明了本工作使用简单的水热方法来合成目标催化剂（Ru1Ni2-CNT），并将该催化剂应用于电解水和燃料电池的反应中。
图2通过XPS和XAS研究了钌在催化剂中的电子态，结果表明催化剂中的金属成分与碳纳米管表面的官能团配位，并以氧化态的形式存在。在催化剂中加入 Ni 后，电子从 Ni 转移到周围的Ru，从而在 Ru1Ni2-CNT 中形成了富电子的 Ru 位点。
图3. 催化剂在1 M
KOH中的电解水性能。
图4. 催化剂在0.1 M
KOH中的HOR和ORR性能。
图3和图4表明，得益于优化后的钌活性位点，所合成的催化剂在碱性条件下，可以高效地催化多种反应，其中包括HER、OER、HOR 和ORR。催化剂复合材料在HER和OER中表现出极低的过电位，分别仅为10 mV和201 mV即可达到10
mA cm
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的电流密度。另外，该RuNi复合催化剂在HOR中的交换电流密度是Pt/C的1.82倍，而在ORR中达到3 mA cm
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电流密度时的电位为0.86 V，接近于Pt/C的0.89
V。同时在所有测试的半反应中，所合成的催化剂均表现出了良好的稳定性。
图5. 基于膜电极组件的电解水和燃料电池性能测试。
图5中催化剂材料在再生燃料电池系统中的测试结果表明，该材料在基于膜电极组件的器件中表现出色。在电解模式下，基于RuNi催化剂所组装的器件在1 A cm
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时的槽压分别为1.71、1.67 和 1.64 V （在25、40 和 60 °C 的温度条件下）。同时，催化剂在燃料电池模式下同样表现优异，基于RuNi催化剂所组装的燃料电池取得了515.37 mW cm
-2
的峰值功率密度，接近Pt/C体系的522.41 mW cm
-2
。将整个可再生燃料电池系统作为考量，以所制备的RuNi复合材料作为催化剂的系统在400 和 700 mA cm
-2
的电流密度下取得了46.0% 和 39.0% 的能量往返效率（RTE），高于Pt/C+RuO
2
所组装的系统（RTE分别为44.9% 和 37.5%）。值得注意的是，在1 A cm
-2
的电流密度下，基于RuNi催化剂的系统仍然取得了31.6%效率，再次证实了该催化剂在能源转换系统中的高活性和高效率。
开发高效率、低成本的储能系统，尤其是大规模的储能系统，对于解决可再生能源利用过程中的间歇性弊端，并提高其利用率至关重要。这项工作展示了一种多功能 RuNi 催化剂，该催化剂在氢气和氧气电解反应（包括 HER、OER、HOR 和 ORR）中具有高活性和稳定性。催化剂在 HER 和 OER 中分别只需要 10
mV 和 201 mV 就能达到 10 mA cm
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的电流密度。而在 HOR 中的交换电流密度是 Pt/C 的 1.82 倍，在 ORR 中电流密度达到 3 mA cm
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时的电位为 0.86 V，接近 Pt/C 的 0.89 V。此外，该研究还使用两个基于膜电极组件的电解反应器验证了该 RuNi 催化剂在再生燃料电池系统中的性能。得益于 Ru1Ni2-CNT 在所有半反应过程中的高活性，所组装的再生燃料电池在 1 A cm
-2
的条件下达到了令人印象深刻的 31.6% 的能量往返效率（RTE），优于使用对比催化剂的系统。这项研究的结果显示了使用单一催化剂构建用于能量转换应用的再生燃料电池系统的可行性。
Chunfeng Li, Danning Li, Lubing Li, Haozhou Yang, Yan
Zhang, Jinzhan Su*, Lei Wang* and Bin Liu*,“CNT-Supported RuNi Composites
Enable High Round-Trip Efficiency in Regenerative Fuel Cells”, Adv. Mater.
2025, 2500416.
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202500416
苏进展教授简介：西安交通大学教授，博士生导师，国家级青年人才，研究方向为可再生能源转化与利用。2016年获得陕西省科学技术奖一等奖（第四完成人）；2017年获得国家自然科学奖二等奖（第四完成人），2019年获得陕西省高等教育教学成果奖特等奖（排名第四）；获2022年高等教育本科国家级教学成果奖一等奖（第四完成人）。发表SCI论文120余篇，他引5400余次， 2021至2023爱思唯尔中国高被引学者（动力工程及工程热物理）。
汪磊教授简介：现担任新加坡国立大学化工系助理教授，总统青年教授席位获得者。本科及硕士就读于大连理工大学，在瑞典皇家理工学院取得博士学位（导师：孙立成院士），并于瑞典乌普萨拉大学及美国斯坦福大学（合作导师：Prof. Thomas Jaramillo）从事博士后研究工作。2021年独立成组后致力于电催化二氧化碳还原及水分解等能源催化领域，近期取得多项创新成果，文章发表在Nat. Catal., Sci. Adv., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem., PNAS, ACS
Catal.等。
刘斌教授简介：刘斌现任新加坡国立大学教授、陈振传百年纪念教授、常务副校长、新加坡科学院院士、工程院院士、美国工程院外籍院士。她2001年于新加坡国立大学取得博士学位，并于美国加州大学圣巴巴拉分校开展博士后研究工作，2005年起于新加坡国立大学开展共轭聚合物发光材料、聚集诱导发光材料等在生物医学及能源中的应用研究工作并做出杰出贡献。发现苯并[f]吲哚（Bd）异构体在咔唑室温磷光中的作用，并揭示同构掺杂对有机半导体光学性质的变革性影响，从而开辟了新的研究途径和应用领域。发表高水平学术论文500余篇（h index=124），连续多年被Thomson Reuters评为“全球最具影响力科学家”之一，并被Clarivate推举为材料科学领域Top 1%高被引研究学者。曾获新加坡国家科学技术青年科学家奖（2008年）、新加坡总统技术奖（2016年）、ACS Nano Lectureship Award（2019年）、RSC Centenary Prize（2021年）、Kabiller's Young Investigator Award（（2021年）、IUPAC杰出女性化学家奖（2023年）、新加坡总统科学奖（2024）等奖励。担任ACS Materials Letters执行主编等多个期刊编委。
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