高活性和高稳定性酸性析氧催化剂的设计和从熔炉中释放

记者从中国科技大学了解到，该大学国家同步辐射实验室姚涛教授的研究小组与化学与材料科学研究所杨金龙教授的研究小组合作，首次准确检测钌基单原子催化剂在酸性电化学析氧反应中催化活性位点的动态变化过程，并在此基础上设计了一种高活性、稳定的酸性析氧催化剂。研究结果最近在线发表在杂志《自然·通讯》上。

质子交换膜水电解槽(PEMWE)因其转化效率高、氢气纯度高、无污染而被认为是最有潜力的制氢技术。然而，由于阳极析氧反应动力学速度慢，催化剂在酸性环境中不稳定，已成为制约质子交换膜燃料电池广泛应用的瓶颈。为了提高质子交换膜燃料电池的效率，迫切需要设计一种高效稳定的酸性析氧电催化剂。然而，如何在工作条件下实时监测催化剂活性位原子和电子的动态变化过程，已成为目前催化剂合理设计的前提和挑战。

研究小组选择活性位点高度均匀的钌基单原子催化剂作为研究对象。析氧反应中催化剂的电流密度达到10mA/cm2，只需要267毫伏的过电位。同时，利用同步辐射原位x光吸收光谱和红外光谱实验装置实时监测催化剂结构在工作条件下的动态演化过程。理论计算进一步证实，动态氧吸附可以有效地促进电子从钌原子转移到吸附的氧原子，有效地避免活性物质的强吸附，从而显著降低反应所需的过电位，并促进其催化活性的显著提高。

这一发现为质子交换膜燃料电池在未来开发新型、高效、稳定催化剂的实际应用提供了实验依据，也为研究原子尺度上催化材料表面/界面的动力学过程提供了理论指导。