高活性高稳定性酸性析氧催化剂设计出炉

记者从中国科学技术大学获悉，该校国家同步辐射实验室姚涛教授课题组与化学与材料科学学院杨金龙教授课题组合作，首次精确探测到钌基单原子催化剂在酸性电化学析氧反应过程中的催化活性位点的动态变化过程，并依此设计出高活性和高稳定性的酸性析氧催化剂，研究成果近日在线发表于《自然通讯》杂志上。

质子交换膜水电解池（PEMWE）因其转化效率高、氢气纯度高、无污染等优点被认为是最具发展潜力的一种制氢技术。然而，阳极析氧反应由于其缓慢的动力学速率以及催化剂在酸性环境下的不稳定性，成为制约PEMWE广泛应用的瓶颈，亟须设计高效稳定的酸性析氧电催化剂来提升PEMWE的效率。但如何在工作条件下实时监测催化剂的活性位原子和电子的动态变化过程，成为目前催化剂理性设计的前提和挑战。

研究团队选取活性位点高度均一的钌基单原子催化剂作为研究对象，该催化剂在析氧反应中达到10mA/cm2的电流密度仅需267mV的过电势。同时，利用同步辐射原位X射线吸收谱和红外谱实验装置，实时监测催化剂在工作条件下结构的动态演化过程。理论计算也进一步证实了动态氧吸附可以有效地促进电子由钌原子向被吸附的氧原子传递，有效地避免对反应物种的强吸附，从而显著降低反应所需的过电势，促进了其催化活性的显著提高。

这项发现为今后PEMWE实际应用开发新型高效稳定的催化剂提供了实验基础，也为原子尺度研究催化材料表面/界面的动态过程提供了理论指导。（记者吴长锋）