【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】堿性陰離子交換膜燃料電池因具備可兼容非貴金屬催化劑、系統(tǒng)成本低、安全性高等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代可持續(xù)氫能轉(zhuǎn)換技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，在堿性介質(zhì)中，氫氧化反應(yīng)(HOR)動力學(xué)顯著遲滯，尤其是在高電流密度運行條件下，電極/電解質(zhì)界面處質(zhì)子耦合傳遞受限、反應(yīng)中間體吸附強(qiáng)度失衡等問題嚴(yán)重制約了燃料電池性能提升。釕作為價格低于鉑且具有相近d帶電子結(jié)構(gòu)的鉑族金屬，被視為發(fā)展低成本、高性能堿性HOR催化劑的潛在替代材料，但其界面反應(yīng)動力學(xué)和器件性能仍有待突破。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院曾令有研究員(丁書江教授團(tuán)隊)攜手北京大學(xué)郭少軍教授，提出了“稀土單原子調(diào)控內(nèi)建電場和界面水分子取向”的催化劑設(shè)計策略。研究團(tuán)隊通過可控陽離子交換與部分還原工藝，成功構(gòu)筑了Gd單原子嵌入的Ru/RuO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑(Ru/RuO?-Gd@C)。該策略利用孤立Gd原子誘導(dǎo)Ru/RuO?界面形成更強(qiáng)的非對稱電荷分布，增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)建電場，進(jìn)而調(diào)控Ru活性位點的表面親氧性和界面水分子取向。研究表明，Gd單原子引發(fā)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控能夠優(yōu)化催化劑表面羥基物種覆蓋，促進(jìn)電極/電解質(zhì)界面處“氧朝下”水分子構(gòu)型(H2O↓)的取向重構(gòu)。該有序水結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化了界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了高效的質(zhì)子傳導(dǎo)通道，從而顯著加速堿性HOR反應(yīng)動力學(xué)。基于這一機(jī)制，Ru/RuO?-Gd@C催化劑實現(xiàn)了8.87 mA μgRu-1的質(zhì)量活性和0.39 mA cm-2的交換電流密度，分別為商業(yè)Pt/C的6.6倍和2.0倍。進(jìn)一步組裝的陰離子交換膜燃料電池實現(xiàn)了16.3 W mgRu-1的Ru質(zhì)量歸一化峰值功率密度，并可穩(wěn)定運行超過60小時。該研究從內(nèi)建電場調(diào)控、界面親氧性優(yōu)化和水分子取向重構(gòu)三個層面揭示了高效堿性HOR催化的界面調(diào)控機(jī)制，為發(fā)展低貴金屬用量、高性能和高穩(wěn)定性的堿性氫燃料電池陽極催化劑提供了新思路。
 

　　研究成果以《釓摻雜Ru/RuOx異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面水的重新取向增強(qiáng)堿性氫氧化電催化》(Interfacial Water Reorientation in Gadolinium-Doped Ru/RuOx Heterostructures Boosts Alkaline Hydrogen Oxidation Electrocatalysis)為題發(fā)表于國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)。西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一署名單位。西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生李領(lǐng)、趙伊茹和北京大學(xué)助理研究員李璐為論文共同第一作者，西安交通大學(xué)曾令有研究員和北京大學(xué)郭少軍教授為論文共同通訊作者。
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、西安交通大學(xué)青年拔尖計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費、北京市杰出青年科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項目的支持，并獲得西安交通大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和西安交通大學(xué)分析測試中心在測試表征方面的支持。