碱性电催化析氢反应(HER)在清洁能源的转化与存储中起着重要作用。钌(Ru)基HER催化剂因其突出的催化活性、低成本和优于铂基催化剂的耐久度，被广泛应用于碱性HER反应。但是，碱性介质中缓慢的水解离导致的质子供应不足以及关键中间体在催化剂上的吸附/脱附较差，给实现Ru基催化剂上的高效反应过程带来了巨大挑战。近期，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组报道了一种在碳载体上形成的具有相邻Ru单原子与Ru纳米粒子的高性能碱性HER电催化剂。相关结果发表在国际著名期刊Advanced Materials上，论文第一作者为国家同步辐射实验室博士后何群、硕士研究生周煜筑和化材学院博士研究生寿宏伟。（全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202110604）
图.原位多谱学解析Ru基碱性催化剂的协同效应
在研究中，设计合成了一种负载于碳载体上的具有相邻Ru单原子与Ru纳米颗粒（Ru1,n-NC）的催化剂材料，并将其用于碱性介质中的析氢反应。同步辐射X射线吸收谱揭示了催化剂中Ru的不同配位结构。电化学测试结果表明Ru1,n-NC催化剂在碱性电解液中可以实现超低的过电位（14.8 mV）和高的转换频率（1.25 H2 s-1 at -0.025 VRHE），远远优于40 wt%的商业Pt/C催化剂。基于原位拉曼和原位红外光谱以及理论计算研究表明，Ru纳米颗粒和单原子位点可以相互促进其电子向碳基底的转移，该电子结构调控有利于水在不同Ru位点上的解离，同时降低了相邻Ru位点上氢氧化物/氢脱附的能垒，实现对Ru1,n-NC反应动力学的优化，从而获得优异的碱性析氢性能。该研究结合多谱学技术，为碱性HER在Ru基催化剂上的反应过程提供了新认知，也为从协同动力学调控角度出发获得高效电催化剂提供了新策略。
该论文得到了科技部重点研发计划（2020YFA0405800）、国家自然科学基金（U1932201）、中国科学院国际伙伴计划（211134KYSB20190063）、合肥大科学中心协同创新等（2019HSC-CIP002）、博新计划与博士后基金（BX20200322, 2020M682009）等项目的支持，感谢合肥光源、北京光源和上海光源的支持。
