水電解可以在酸性或堿性介質(zhì)中進行，質(zhì)子交換膜(PEM)在酸性水電解已顯示出優(yōu)異的性能，但其廣泛應(yīng)用仍然受到PEM高成本和酸性介質(zhì)中陽極析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)緩慢的阻礙。當(dāng)電解在堿性介質(zhì)中進行時，上述問題可以得到緩解。然而，在堿性介質(zhì)的陰極析氫反應(yīng)(HER)的動力學(xué)緩慢，即使在基準Pt/C上，堿性介質(zhì)中的HER動力學(xué)也比酸性中低2個數(shù)量級。因此，非常需要開發(fā)穩(wěn)健的電催化劑來增強堿性HER以實現(xiàn)高效的堿性水電解。
今日，深圳大學(xué)何傳新課題組合成了一系列從單原子、亞納米簇到更大納米粒子的Ru納米晶體，以研究堿性介質(zhì)中析氫活性與催化劑尺寸之間的關(guān)系。
基于實驗和理論結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)Ru納米晶體的直徑直接決定了d帶中心的能級，具有上移d中心的Ru團簇比Ru SAs和更大的Ru NPs具有更強的水解離能力，可以實現(xiàn)更高的HER的活性。此外，具有高比表面積的Ru簇提供了高度暴露的活性位點，從而顯著提高了Ru的金屬利用效率。
因此，Ru簇催化劑在100 mV的過電位下表現(xiàn)出43.3 s-1的超高TOF，超過了其他已報道的電催化劑。
更重要的是，當(dāng)質(zhì)量負載增加到1 mg cm-2時，Ru簇還可以在196 mV的過電位下產(chǎn)生1000 mA cm-2的大電流密度，并且在該電流密度下連續(xù)進行100小時的析氫反應(yīng)沒有觀察到明顯的電流密度衰減，這表明Ru簇有望用于實際HER。總的來說，Ru簇的優(yōu)異電催化性能和獨特的物理化學(xué)特性有助于通過在亞納米尺度上調(diào)整金屬尺寸來開發(fā)穩(wěn)健的電催化劑。
Subnanometric Ru Clusters with Upshifted D Band Center Improve Performance for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-31660-2
