崔浩教授、王成新教授团队在碱性氢氧化反应领域的最新进展

阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs） 已经被认为是未来最为重要氢能转换系统之一，然而，碱性介质中其阳极的氢氧化反应（HOR）极为缓慢，通常的催化剂存在着质量活性低、稳定性差和易被CO毒化等问题，严重阻碍了AEMFCs的进一步发展。Volmer步骤被认为在碱性氢氧化反应（HOR）过程中起着至关重要的作用。然而，目前的研究主要致力于去优化*H_ads和 *OH_ads在催化剂表面的吸附强度，而忽略了对不同吸附位点的精确调控，使得催化剂表面难以提供足够的*H和*OH复合微界面来促进Volmer步骤，极大阻碍了碱性HOR催化剂本征活性的最大化提升。一些负载型催化剂虽然能在载体与催化剂的界面处形成不同的吸附区域（*H_ads和 *OH_ads），但有限的吸附边界难以匹配快速Volmer复合反应，不利于最大化HOR动力学过程。

近日，我院王成新教授、崔浩教授团队提出了一种多策略协同优化HOR过程的方法，通过合理设计将Zn单原子同时掺入Ru晶格和碳载体中（表示为(Zn₁Ru)_SAA/Zn₁-N-C）以构建高活性和稳定的碱性HOR催化剂。研究表明这种新型催化剂在50 mV下的质量活性高达4.98 mA _μgRu^-1，是Ru/N-C催化剂的1.9倍，甚至是Pt/C催化剂的7.5倍。此外，这种新型催化剂还具有优异的长期稳定性和抗CO性能。实验结果和理论计算表明，(Zn₁Ru)_SAA/Zn₁-N-C的独特结构不仅增强了催化剂Ru纳米粒子与载体之间的相互作用，促进了它们之间的电子转移，有效地优化了各中间体（*OH、*H和CO）吸附能的同时，并且在Ru纳米颗粒表面产生不同的微吸附区，构成了大量*H_ads和 *OH_ads界面，进而极大促进了Volmer步骤。该研究为先进碱性HOR催化剂的复杂设计提供了新认识。

图1. (Zn₁Ru)_SAA/Zn₁-N-C的形貌及原子结构分析。

图2. (Zn₁Ru)_SAA/Zn₁-N-C电催化剂的HOR性能评估。

图3. Zn₁-Ru₁₂模型的相关理论计算。

相关成果以“Promoting the Volmer Step of Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction by Incorporating Zn Single Atoms into Ru Lattice and Carbon Frameworks”为题发表于期刊Advanced Functional Materials上，我院2021级博士研究生郭莹莹是该论文的第一作者，王成新教授及其团队成员崔浩教授和李岩副教授作为论文的共同通讯作者。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作受到广东省自然科学基金、国家自然科学基金的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412142

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军