单原子镍增强PtRu纳米合金电子金属-载体相互作用及其在酸碱性介质中高效稳定的析氢和氧还原双功能催化性能

为解决PtRu纳米合金在HER/ORR催化中活性不足和稳定性差的问题，研究人员通过将PtRu纳米合金锚定在单原子镍掺杂氮碳载体（NiNC）上，显著增强电子金属-载体相互作用（EMSI）。结果表明，PtRu-NiNC在酸/碱性介质中分别仅需1.5?mV和26?mV过电位即可实现10?mA?cm?2的HER活性，ORR半波电位达0.865?V（酸性）和0.810?V（碱性），且稳定性优异。该研究为氢燃料电池催化剂设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义

氢燃料电池作为绿色能源技术，其核心瓶颈在于析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）催化剂的效率与耐久性。尽管PtRu纳米合金因其独特的电子结构在HER/ORR中展现出潜力，但酸性/碱性介质中的颗粒团聚、d带中心调控不足等问题严重制约其实际应用。传统碳载体（如氮掺杂碳NC）虽能改善导电性，却难以抑制金属纳米颗粒迁移。电子金属-载体相互作用（EMSI）被认为是优化催化剂性能的关键，但如何通过原子级设计增强EMSI仍是未解难题。

研究设计与方法

中国的研究团队通过高温退火法将PtRu纳米合金锚定在单原子镍嵌入的氮碳载体（PtRu-NiNC）上，结合同步辐射、原位光谱和密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了Ni单原子对EMSI的增强机制。研究以酸性HER为模型反应，通过对比PtRu-NC（无Ni单原子）和PtRu-NiNC的电子结构差异，揭示了d带中心调控与催化活性的关联。

主要研究结果

HER和ORR性能
PtRu-NiNC在酸性（1.5?mV@10?mA?cm^?2）和碱性（26?mV）介质中均表现出超低HER过电位，显著优于商业Pt/C和PtRu-NC。ORR测试中，其半波电位（E_1/2）在酸/碱性介质分别达0.865?V和0.810?V，且经5000次循环后活性衰减可忽略。

EMSI增强机制
DFT计算表明，Ni单原子诱导的EMSI促使PtRu纳米合金发生电子重构，将Pt/Ru的d带中心从费米能级下移，优化了H吸附/脱附能垒（ΔG_H接近0?eV）。此外，NiN_x位点通过强电子耦合固定PtRu纳米颗粒，抑制其在酸性环境中的迁移和团聚。

结论与展望

该研究证实单原子Ni掺杂可显著增强PtRu与载体间的EMSI，实现电子结构精准调控和颗粒稳定性提升，为设计高效双功能催化剂提供了新范式。论文发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，其策略可拓展至其他贵金属-单原子复合体系，推动氢燃料电池商业化进程。