西北工业大学、新西兰奥克兰大学，Nat. Commun.： 亲氧Ru，W单原子全面提升超细Pt纳米颗粒电催化碱性氢氧化反应性能

第一作者：焦文胜，任章豪，崔智博，马超

通讯作者：韩云虎*，王子运*

单位：西北工业大学，新西兰奥克兰大学

阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因阴离子交换膜成熟和廉价非贵金属高效阴极催化剂出现，在科研和工业领域备受关注。但其阳极发展滞后，目前主要依赖铂（Pt）基材料作氢氧化反应（HOR）催化剂。当电解质变为碱性，阳极HOR动力学比酸性介质中慢2-3个数量级。为弥补性能损失，先进Pt基催化剂也需高Pt负载量才能与质子交换膜燃料电池（PEMFCs）性能相当，且Pt基催化剂易被灰氢中微量的CO（低于 10 ppm）毒害，导致HOR性能急剧下降，所以开发高活性、稳定且抗CO中毒的碱性HOR催化剂对AEMFCs发展至关重要。鉴于Pt基催化剂成本高且抗CO中毒能力差，人们致力于开发非Pt基催化剂，却难以满足工业化需求。于是研究方向转向低Pt负载量的碱性HOR催化剂，即在维持Pt活性位点活性的同时减少其用量。文献显示将Pt基催化剂尺寸减小至团簇或单原子分散，以及调节催化剂表面亲氧化性，将Pt与亲氧物质合金化优化结合能，都是可行方法。将两种方法结合，利用亲氧金属单原子对活性中心长程间接作用，可增强HOR活性和抗CO中毒能力，这也启发人们思考能否通过巧妙设计催化剂结构，全面提升碱性HOR中催化剂的综合性能 。

近日，来自西北工业大学的韩云虎教授与新西兰奥克兰大学的王子运Senior Lecturer合作，在国际知名期刊Nature Commuications上发表题为“All-round enhancement induced by oxophilic single Ru and W atoms for alkaline hydrogen oxidation of tiny Pt nanoparticles”的研究性文章。该文章报道了负载在W单原子修饰的多孔氮掺杂碳上的超细单原子合金纳米颗粒（s-Ru₁Pt@W₁/NC）。该电催化剂在碱性电解质中展现出优异的HOR活性与稳定性。

通过调节催化剂的表面亲氧化性，将Pt与亲氧物质合金化，以优化*H 和*OH（HBE和OHBE）的结合能，有利于提高催化剂的碱性 HOR 活性。在本研究中，通过同时引入亲氧近程Ru原子和远程W原子，同时调节活性位点Pt的电子结构。一方面，近程Ru原子与Pt形成单原子合金，另一方面W单原子锚定在ZIF-8衍生对的多孔氮掺杂碳载体上通过长程非键合作用共同调整Pt位点的电子结构。近程Ru原子和长程W原子的协同调控共同优化了Pt纳米颗粒表面的 *H、*OH，提高了s-Ru₁Pt@W₁/NC的HOR活性。

得益于近程Ru原子和长程W原子的协同调控共同优化了Pt纳米颗粒的电子结构，s-Ru₁Pt@W₁/NC拥有低生成能和高溶解析出能赋予其极佳的热力学稳定性。s-Ru₁Pt@W₁/NC在纯H2环境下表现出超长稳定性，气体扩散电极上稳定运行1000个小时后，电流密度仅衰24.60%。在旋转圆盘电极上，经加速降解试验15 000圈CV循环后，其电流密度仅衰减13.40 %。此外，在s-Ru₁Pt@W₁/NC反应过程中，*CO到*COOH较小的能量差，表明CO在s-Ru₁Pt@W₁/NC表面的停留时间短，有助于促进CO氧化进而表现出优异的抗CO毒化能力。

当前对碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）阳极催化剂设计和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于目前催化剂的制备成本仍然高昂，并且催化剂容易被灰氢中的一氧化碳毒化，这仍然是AEMFCs的实际应用前难以逾越的鸿沟。此外，对于碱性氢氧化反应的机理尚且存在争议，仍需进一步深入探究。本研究是对催化剂的设计、制备方法以及反应的探索，旨在启发未来更进一步的研究。通过深入理解反应机理以理性设计催化剂，可以实现具有高活性高稳定性的AEMFCs，以加速其实际应用。

All-round enhancement induced by oxophilic single Ru and W atoms for alkaline hydrogen oxidation of tiny Pt nanoparticles

韩云虎教授简介：西北工业大学柔性电子研究院教授。2016年于中国科学院福建物质结构研究所取得博士学位，2016-2018年在清华大学从事博士后研究（合作导师：李亚栋院士），2018年起就职于西北工业大学。韩云虎教授的主要研究方向涉及燃料电池、锌空电池、电解水制氢以及二氧化碳还原电催化剂的开发。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Nano Lett.、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、J. Catal.、Nano Res.、Small、Small Methods等领域顶级学术杂志上共发表论文20余篇，申请多项中国发明专利。

王子运高级讲师简介：新西兰奥克兰大学Senior Lecturer。2012年本科毕业于华东理工大学，2015年博士毕业于英国女王大学，师从胡培君教授和ChrisHardacre教授。先后在斯坦福大学（合作导师：JensK. Nørskov教授）和多伦多大学（合作导师：Edward H. Sargent教授）从事博士后研究。王子运的主要研究方向包括二氧化碳电还原的理论计算、人工智能辅助多相催化设计和表面微动力学。以第一/通讯作者在Nature、Nat. Catal.、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等领域顶级学术杂志上共发表论文120余篇，被引超过13,000次。