氢能作为一种洁净能源，是能源领域未来重要的发展方向之一。与质子交换膜电解槽和燃料电池相比，氢氧化合物根交换膜电解槽（HEMELs）和氢氧根化合物交换膜燃料电池（HEMFCs）因为工作条件腐蚀性较小，可以使用低成本的非铂电催化剂（PGM），所以在循环可再生氢能发展经济中具有很大的发展潜力。但是然而，碱性条件下的由于析氢反应（HER）和氢氧化反应（HOR）在碱性条件下的反应动力学比酸性环境下中低两个数量级左右，这给HEMELs和HEMFCs的发展带来了巨大的挑战。因此，通过设计催化剂的结构，构建发展高活性的碱性HER和HOR非铂催化剂在对推动HEMELs和HEMFCs的发展起到重要的作用具有重要意义。
近日，浙江大学孙文平团队研究员和潘洪革团队教授设计报道了一种由结晶Ru团簇和无定形CrOx团簇组成的簇-簇异质结构催化剂，实现了高性能大幅提升了碱性氢电催化性能（如图一所示）。所制备的催化剂在碱性介质中对氢氧化反应(（交换电流密度为2.8 A mg Ru −1）交换电流密度为2.8 A mg Ru −1)和析氢反应(（过电位为100 mV时，质量活性为23.0 A mgRu−1）过电位为100 mV时，质量活性为23.0 A mg Ru−1)均表现出令人印象深刻优异的催化活性性能。采用该材料为阳极催化剂基于此，制备的HEMFCs氢氧化物交换膜燃料电池在0.65 V下的质量活性为达到22.4 A mg Ru−1，并且在500 mA cm−2的电流密度下运行105 h没有电压损失。研究人员发现，Ru团簇和CrOx团簇界面的之间的强耦合作用来自于Ru团簇中的Ru原子穿过界面进入CrOx团簇中，独特的穿梭机制使得界面电荷的重新分配有了很大程度的改善，同时优化了反应中间体在每个团簇上的吸附行为，从而显著促进提升了碱性HER和HOR反应中决速步的反应速率。
为了进一步表征CrOx团簇和Ru团簇之间的相互作用，研究人员利用合肥光源光电子能谱站（BL10B）的软X射线谱学表征方法探究了材料的微观电子结构信息研究人员在合肥光源X射线光电子能谱站（BL10B）采用总电子产额(TEY)模式进行了软X射线吸收光谱分析。通过分析Cr -L-edge和O -kK-edge的谱图，研究人员发现了Cr和O原子上的高电子密度态以及CrOx团簇的高度非晶态的特征（如图二所示）。相关结果证明了，在团簇的耦合界面处中，存在着显著的从Ru团簇到CrOx团簇的电子转移过程，并且证明CrOx团簇的局域结构是无序的。研究人员另外通过X射线光电子能谱（XPS）测量了Cr 2p、O 1s和Ru 3p峰的偏移，进一步验证了电子的转移路径。这一研究结果进展对开发发展宽界面、高性能的团簇尺寸异质结能源催化剂材料具有重要意义。相关成果发表以“A strongly coupled Ru–CrOx cluster–cluster heterostructure for efficient alkaline hydrogen electrocatalysis”为题发表在《Nature Catalysis》上。
图一：示意图（a）普通负载催化剂（b）团簇-团簇异质结构催化剂
图二：软X射线吸收谱（a）Cr-L-edge（b）O-k-edge
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41929-024-01126-3
