电催化水分解被广泛认为是利用可再生电力制备绿色氢气的一种有前途的途径。碱性水电解槽(LAWE)和质子交换膜水电解槽(PEMWE)是两种主流的水电解技术。考虑到LAWE与可再生能源的匹配性较差和PEMWE的操作成本较高，阴离子交换膜水电解(AEMWE)在工业制氢中正在引起越来越多的关注。然而，目前AEMWE的膜/离子体电导率低于PEMWE，以及碱性介质的HER反应动力学较酸性介质缓慢。因此，设计具有优良活性和耐久性的高效碱性HER电催化剂是实现高性能AEMWE的关键。
近日，北京大学郭少军课题组选择了缺电子和嗜氧Ga单原子作为电子桥，与富电子的Ru团簇协同作用，诱导了与Ru团簇强烈的金属载体相互作用，显著提高了其在AEMWE中的HER性能。研究发现，掺氮碳上的Ga单原子可以作为固定Ru团簇的锚定位点，使Ru团簇在高密度碳上均匀分布，并且阻止了Ru团簇在AEMWE长期电解过程中的团聚和分离。优化后的Ru-GaSA/N-C催化剂具有优异的性能，在10 mA cm-2时的过电位仅为4±1 mV，在−0.05 V时的质量活度为9.3±0.5 A mgRu-1，优于PtRu/C和Pt/C催化剂。以1.0 M KOH作为电解质，基于Ru-GaSA/N-C (具有0.08 mg cm-2的低Ru负载)的AEMWE在1 A cm-2电流密度处仅表现出1.74 V的低电压，并且可以在1.0 A cm-2电流密度下连续运行超过170小时，且该过程中电压增加可以忽略不计。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算结果共同表明，Ru团簇与Ga-氮化物载体界面形成的强烈的Ga-Ru键可以优化Ru-H键强度，而Ru团簇附近的嗜氧性Ga位点可以加速水在碱性介质中的解离，这两者都导致Ru-GaSA/N-C在AEMWE中活性和稳定性的提高。Oxophilic gallium single atoms bridged ruthenium clusters for practical anion-exchange membrane electrolyzer. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-51200-4
