原子级镍锚定Ru/RuO2异质结构纳米片实现高CO耐受性氢氧化催化：H/OH结合能的协同优化

《Nature Communications》：A concurrently optimization of H and OH binding energies in atomically Ni anchored Ru/RuO2 nanosheet driving high CO-tolerant hydrogen oxidation catalysis

为解决碱性交换膜燃料电池（AEMFCs）阳极氢氧化反应（HOR）动力学缓慢及CO中毒问题，研究人员开展了原子级Ni锚定Ru/RuO2异质结构纳米片（NiSA-Ru@RuO2NSs/C）催化剂研究。该催化剂在碱性介质中表现出优异的HOR活性和稳定性，在1000 ppm CO环境中5000秒测试后活性保持率达92.3%，组装AEMFCs峰值功率密度达1.76 W cm-2。研究通过协同优化H和OH结合能，为高性能HOR催化剂设计提供了新思路。

　　

在氢能技术蓬勃发展的今天，碱性交换膜燃料电池（AEMFCs）因其可使用非贵金属阴极催化剂等优势，被视为最具潜力的能源转换装置之一。然而，其阳极氢氧化反应（HOR）仍面临两大挑战：在碱性环境中反应动力学比酸性环境中慢2-3个数量级，且实际氢气源中不可避免的微量CO会导致催化剂中毒失活。目前广泛使用的Pt基催化剂虽活性较高，但价格昂贵且对CO极其敏感，严重制约了AEMFCs的商业化进程。

针对这一难题，厦门大学黄小青教授团队与合作者在《Nature Communications》发表最新研究，设计出一种原子级镍锚定的Ru/RuO₂异质结构纳米片催化剂（Ni_SA-Ru@RuO₂NSs/C）。该催化剂通过巧妙构建异质界面和单原子位点，实现了H和OH结合能的协同优化，在提升HOR活性的同时显著增强了CO耐受性。

研究团队采用湿化学法合成前驱体，通过控制热处理条件（350°C空气氛围）成功制备出具有明确异质结构的纳米片材料。利用旋转圆盘电极测试系统评估HOR性能，结合X射线吸收光谱（XAS）和密度泛函理论（DFT）计算深入探究反应机理，并通过膜电极组装（MEA）测试验证实际应用效果。

SA-Ru@RuO₂NSs/C的设计策略对比'>

形态与结构表征

透射电镜（TEM）和高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示催化剂呈现典型的纳米片形貌。X射线衍射（XRD）证实材料中同时存在RuO₂（JCPDS No.43-1027）和金属Ru（JCPDS No.06-0663）两相。高分辨电镜（HRTEM）观察到0.318 nm和0.214 nm的晶格间距，分别对应RuO₂的（110）晶面和Ru的（002）晶面，界面处存在明显的晶格错位，为异质结构的形成提供了直接证据。元素 mapping显示Ni原子均匀分散在纳米片表面，原子比为Ru/Ni=88.8/11.2。

SA-Ru@RuO₂NSs/C的形貌表征。（a）HAADF-STEM图像，（b）XRD图谱，（c）SEM-EDS，（d）放大TEM图像及（e,f）晶格错位区域，（g）局部TEM图像及相应（h）线扫描和（i）元素分布图'>

HOR性能评估

在0.1 M KOH电解质中，Ni_SA-Ru@RuO₂NSs/C在0.1 V vs. RHE电位下表现出最高的电流密度，质量活性达到3.96±0.02 A mg_Ru^-1，分别是Ru@RuO₂NSs/C和商业Pt/C的10.1倍和20.8倍。塔菲尔斜率和交换电流密度（j₀=0.76 mA）分析表明其具有更快的反应动力学。

CO耐受性测试

在1000 ppm CO/H₂混合气中测试5000秒后，Ni_SA-Ru@RuO₂NSs/C仍保持92.3%的初始活性，而Pt/C在2000秒后几乎完全失活。CO剥离实验显示其氧化电位比Ru@RuO₂NSs/C负移19 mV，表明CO更容易从催化剂表面脱附。

机理研究

X射线吸收精细结构（EXAFS）分析显示Ni_SA-Ru@RuO₂NSs/C中同时存在Ru-O和Ru-Ru键，Ni以单原子形式与氧配位。原位电化学阻抗谱（EIS）表明其具有更快的电荷转移速率。氢欠电位沉积（H_upd）峰负移表明H结合能（HBE）减弱，而原位拉曼光谱在718 cm^-1处检测到*OH吸附峰，证实OH结合能（OHBE）得到优化。

DFT计算模拟

理论计算表明，Ni单原子的引入使d带中心从-2.37 eV（Ru/RuO₂）降至-2.85 eV，导致H和OH吸附能显著减弱。电荷密度差分显示异质界面处存在明显的电子重排，协同优化了反应中间体的吸附行为。

AEMFCs实际性能

将催化剂应用于膜电极组装（MEA），在H₂/O₂条件下峰值功率密度（PPD）达1.76 W cm^-2，比商业Pt/C（0.84 W cm^-2）提高一倍。在0.5 A cm^-2电流密度下连续运行100小时，电池电压衰减可忽略不计，展现出优异的实际应用潜力。

该研究通过原子级精确调控，成功实现了H和OH结合能的协同优化，为解决AEMFCs阳极催化剂的活性和CO耐受性难题提供了新策略。异质结构构建与单原子修饰的协同效应，不仅显著提升了HOR动力学性能，更为设计新一代燃料电池催化剂开辟了新途径。这种"双工程"策略可扩展至其他催化体系，对推动氢能技术发展具有重要意义。