电解水制氢是高效转化可再生能源的重要方式之一。为此，需要开发高活性、高稳定性的双功能水分解电催化剂。

钌基电催化剂在OER反应中的应用得到了广泛的研究，最近也有研究者开始考虑其催化HER反应的可能。然而，目前报道的钌基纳米催化剂制备步骤复杂，在碱性环境的OER过程中存在严重的溶出现象，在酸性环境的HER中过电位过高，不利于实际应用。

单原子材料具有特殊的尺寸效应，在诸多电催化反应中展现出了优异的性能。近日，清华大学陈晨教授团队和北京科技大学陈昕合作，通过在RuO₂纳米材料上构造单原子Co位点，制备了双功能水分解电催化剂CoSAC/RuO₂，实现了钌基催化剂在OER和HER反应中活性和稳定性的提升。

研究者使用简单的一锅法制备了CoSAC/RuO₂催化剂，并用球差、同步辐射等手段确认了Co的单原子分散。ICP结果说明Co单原子的载量高达1.8 wt%。一系列的价态表征揭示了Co单原子显正价，而Ru的价态有所降低，这有利于催化剂在OER环境中的稳定性。

性能测试表明CoSAC/RuO2催化剂对于酸性HER，在10 mA/cm²处的过电位仅有45 mV；对于碱性OER，在10 mA/cm²处的过电位仅有200 mV。

理论计算揭示了Co单原子不仅可以改变Ru元素的价态以提高材料稳定性，还能够在OER反应中作为活性位点吸附并解离H₂O，极大地改变了反应决速步，有效改善了反应热力学。

在该工作中，研究者向钌基催化剂中加入Co单原子，借助Co单原子调控催化剂电子结构和同时作为活性位点的特殊作用，提高了钌基催化剂在电催化水分解反应中的性能，为单原子材料在电催化中的应用和机理研究提供了一种新思路。

论文信息：

Cobalt Single Atom Incorporated in Ruthenium Oxide Sphere: A Robust Bifunctional Electrocatalyst for HER and OER

Khadim Shah, Ruoyun Dai, Muhammad Mateen, Zubair Hassan, Zewen Zhuang, Chuhao Liu, Muhammad Israr, Weng-Chon Cheong, Botao Hu, Renyong Tu, Chao Zhang, Xin Chen, Qing Peng, Chen Chen, Yadong Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202114951