王定胜：通过将Co原子掺到Ru晶格来加速水分解动力学

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电催化析氢作为一种有吸引力的制氢策略，在清洁替代能源技术中受到了广泛的关注。在碱性电解质中，由于HER的缓慢动力学，需要开发高效催化剂以降低析氢过电位。迄今为止，Pt是最受欢迎的HER催化剂，因为它具有高交换电流密度（j0）和低的过电位（η）。然而，Pt的稀缺性，高价格和差的耐久性极大地限制了其商业应用。为了解决这些问题，许多研究小组采用了各种方法来获得具有优异催化活性的无Pt催化剂。例如，构建具有丰富活性位点的独特纳米结构（纳米框架，缺陷丰富的纳米片/纳米线，多孔/混合纳米结构等）；将N、P、S等杂原子引入金属元素中，形成金属-N/P/Sx催化剂；制备负载在多孔碳纳米材料上的单原子催化剂；将催化剂负载到合适的衬底/载体上等。尽管在该领域已经做了很多工作，但是与Pt相比，只有少数结构和组成优化的无Pt催化剂具有令人满意的活性。另一方面，所报道的催化剂的不规则结构或复杂组成使得难以理解原子尺度的催化位点与析氢性能之间的关系。因此，有必要开发新的策略来设计原子水平的新型无Pt电催化剂，与商业Pt/C催化剂相比，HER的催化活性和耐久性大大提高。

近日，在清华大学王定胜带领下，与安徽师范大学、江西师范大学、北京化工大学和南方科技大学合作，报告了用原子分散的Co制备Co取代Ru纳米片（NSs）用于析氢催化，其中Co掺到Ru晶格中。制备的Co取代Ru NSs在1M KOH电解液中对HER表现出优异的催化活性，在10mA cm-2的电流密度时具有13mV的超低过电位，并且实现了29mV dec-1的超低Tafel斜率，以及超过1000次循环的优异耐久性。在所有报道的无Pt电催化剂中，Co取代Ru NSs对HER的催化活性最高。实验结果和密度泛函理论（DFT）计算进一步证明，与原始Ru和RuCo合金相比，单Co原子取代Ru催化剂能显著降低水离解的能垒，从而导致对HER的优异性能。该研究为高效无Pt析氢催化剂的开发提供了新的见解。相关成果以题为“Accelerating water dissociation kinetics by isolating cobalt atoms into ruthenium lattice”发表在了Nat. Commun.上。

总之，成功合成了作为高效无Pt的HER催化剂的Co取代Ru NSs。通过像差校正的HAADF-STEM和XAFS表征Co取代Ru NSs的结构，表明原子分散的Co掺到Ru晶格。更重要的是，Co取代Ru NSs在碱性中对HER表现出优异的催化性能，这比商业Pt/C催化剂和其它无Pt催化剂的活性好得多。理论计算表明，单个Co原子取代显着降低了水离解的能垒，从而产生了出色的HER性能。团队的研究结果不仅为在原子尺度上设计高活性HER催化剂提供了新的机会，而且通过理论见解增进对HER的理解。

文献链接：Accelerating water dissociation kinetics by isolating cobalt atoms into ruthenium lattice（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07288-6）