原子层邻域策略实现Ru团簇在WC?载体上高效协同催化水电解

《Nature Communications》：Stabilizing ruthenium atom layer neighbors through molecular and metal support interactions for water electrolyzers

　　

摘要

设计能够同时最大化原子利用率和催化活性的催化剂仍然是多相催化领域的一个核心挑战。单原子催化剂虽能最大化贵金属的利用率，但其孤立的原子结构限制了吸附质的吸附构型，从而降低了催化效率。本文提出了一种基于原子层邻域概念的通用平台，其中Ru团簇的邻近效应能够多样化吸附构型，同时通过配体效应增强吸附质的结合能力。通过利用分子相互作用和强金属-载体相互作用，我们从热力学上稳定了仅由少数Ru原子组成的原子级薄层结构，从而实现了在WC_x载体上合成尺寸可调的Ru原子层邻域结构。尺寸可调的Ru团簇上优化的*H结合能，结合WC_x载体上*OH的富集，使得在阴离子交换膜水电解器中实现了与单位贵金属成本相竞争的催化活性。值得注意的是，我们的催化剂在60 °C的较低温度下、Ru负载量仅为0.100 mg cm^?2的条件下，便实现了美国能源部（DOE）2026年质子交换膜水电解（PEMWE）性能目标，且低于DOE设定的最终贵金属负载阈值。这一原子层邻域平台提供了一种在保持高贵金属利用率的同时提升催化剂效率的通用策略。