工業(yè)上氫氣制備是通過“甲烷水蒸氣重整”的工藝，這個過程面臨著CO2溫室氣體釋放，對環(huán)境不友好。而電解水制氫工藝過程簡單，無碳排放污染，是制備氫能源的下一代清潔方法。目前，電解水面臨的最大問題是制氫成本。工業(yè)上電解水制氫成本是33-38元/千克，甲烷制氫的成本是19-22元/千克，因此未來要想推進電解水制氫取代甲烷制氫，就需要我們大力發(fā)展廉價高效的催化劑來降低電解水制氫成本。 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊利用表面缺陷工程技術(shù)捕獲和穩(wěn)定單原子的方法成功制備了Ru單原子催化劑。在酸性OER中，該Ru單原子催化劑相對于商業(yè)RuO2過電位降低了~30%，穩(wěn)定性提高了~10倍。該工作為如何解決Ru基催化劑在酸性氧化性條件下不穩(wěn)定這一國際性難題提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis”為題，發(fā)表在國際頂尖催化期刊《Nature Catalysis》上，并被選為封面文章。 

　　圖1 單原子催化劑合成示意圖及文章封面圖 

　　在該成果中利用北京同步輻射裝置（BSRF）1W1B-XAFS實驗站的XAFS實驗手段對基底Pt、Cu的電子結(jié)構(gòu)及配位環(huán)境進行了詳細研究。課題組通過對Pt的近邊（XANES）分析及擴展邊（EXAFS）擬合，揭示了Pt是以金屬態(tài)形式存在，主要配位形式是Pt-Pt/Cu。通過對Cu的近邊（XANES）分析及擴展邊（EXAFS）擬合，揭示了Cu的價態(tài)介于0~2價之間。又進一步利用原位同步輻射工具對催化劑的催化機理進行了探索。對于Pt基底來說，在酸性OER環(huán)境中，隨著電位的升高（0~1.86 V），根據(jù)近邊分析（XANES）可知，Pt的價態(tài)呈逐漸升高趨勢。這表明，基底Pt向活性位點Ru轉(zhuǎn)移電子，從而避免了Ru失去過量電子而失活，進一步使催化劑保持穩(wěn)定的狀態(tài)。 

　　圖2 （a-c）Ru1-Pt3Cu的In-situ XAFS譜和（d）ex-situ EXAFS譜。 

　　發(fā)表文章： Yancai Yao, Sulei Hu, Wenxing Chen, Zheng-Qing Huang, Weichen Wei, Tao Yao, Ruirui Liu, Ketao Zang, Xiaoqian Wang, Geng Wu, Wenjuan Yuan, Tongwei Yuan, Baiquan Zhu, Wei Liu, Zhijun Li, Dongsheng He, Zhenggang Xue, Yu Wang, Xusheng Zheng, Juncai Dong, Chun-Ran Chang, Yanxia Chen, Xun Hong, Jun Luo, Shiqiang Wei, Wei-Xue Li*, Peter Strasser, Yuen Wu* and Yadong Li, Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis, 2019, 2, 304–313.