专栏名称: 催化开天地

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北京大学郭少军，最新Nature Communications！

催化开天地 · 公众号 · · 2024-08-09 08:30

正文

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开发高效且耐用的碱性析氢反应（HER）催化剂，是实现安培级电流密度下高性能的实用阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）的关键。

基于此，2024年8月8日， 北京大学的郭少军教授 在国际顶级期刊 Nature Communications 发表题为《Oxophilic gallium single atoms bridged ruthenium clusters for practical anion-exchange membrane electrolyzer》的研究论文。

图1：Ru-Ga _SA /N-C催化剂的合成与结构表征

在此项研究中，作者报告了一种设计概念，通过使用Ga单原子作为电子桥来稳定Ru团簇，以提高实际AEMWE中的碱性HER性能。

实验和理论结果共同表明，桥接的Ga位点触发了强烈的金属-载体相互作用，实现了高密度下Ru团簇的均匀分布，并由于Ru和Ga之间的电子转移优化了Ru-H键强度，从而增强了本征HER活性。

图2：Ru–Ga _SA /N–C及对照催化剂在1M KOH溶液中HER的电催化性能

此外，Ru簇附近的亲氧Ga位点倾向于吸附羟基物种并加速水解离，以在碱性介质中补充足够的质子。

测试发现，Ru-Ga _SA /N-C催化剂在-0.05 V 下表现出4 ± 1 mV (10 mA cm ^-2) 的低过电势和9.3 ± 0.5 A mg ^-1 _Ru 的高质量活性。

图3：使用Ru–Ga _SA /N–C作为阴极催化剂的AEMWE电解槽的性能

值得注意的是，基于Ru-Ga _SA /N-C的AEMWE在1 M KOH中仅需1.74 V的电压即可达到1 A cm ^-2 的工业电流密度，并且可以在1 A cm ^-2 下稳定运行超过170 h。

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