基于可再生能源高效电解水制氢对于实现碳中和以及氢能规模应用有着重要意义。相比传统碱性电解水技术，质子交换膜（PEM）电解制氢有更高的氢气纯度，更大的产氢速率和更高的能效，是当前产业界关注的热点。但是苛刻的酸性反应条件对阳极析氧催化剂的活性和稳定性提出了双重考验。商业化氧化铱催化剂活性较差、价格昂贵，虽然稳定性较好，但是长周期运行仍然有部分铱腐蚀溶出。要根本上解决阳极催化剂的活性与稳定性问题，必须从反应机理层面，理性设计催化剂结构。

研究人员采用阳离子交换技术，以钌原子取代晶态氧化锰纳米纤维表面的锰阳离子（Ru/MnO₂），从而保证了钌原子负载位点遵循氧化锰晶体中锰原子的周期性排列，最终形成了局部规整排列的钌原子阵列（见图1）。

图1. 高分辨钌原子阵列球差透射电子显微图像

在酸性析氧反应过程中，阳离子交换反应也自发地同时进行，这不仅触发了小的钌原子团簇进一步重构形成更为稳定的较大原子阵列结构，而且避免了钌金属流失导致的催化剂失活，从而使得催化剂具有独特的自修复功能。而这一包含大量对称钌原子位点的阵列结构，可促使水解离后的活性氧物种直接耦合（见图2），大幅度降低了过电位。相比而言，传统随机分散的单原子催化剂或者金属颗粒催化剂是无法实现氧物种直接耦合生成氧气的，因此需要较大过电位。

图2. 晶态氧化锰纳米纤维负载钌原子阵列催化电解水反应示意图

图3. Ru/MnO₂催化电解水反应的性能表征结果

所获得的Ru/MnO₂的活性与稳定性均大幅度超越商业化催化剂以及现有文献报道的催化剂（见图3），且制备简单能够实现放大生产（专利申请号：2021102623365）。Ru/MnO₂在提升电解水制氢效率的同时，使得阳极催化剂成本降低50倍以上。该项研究提供了新的非均相催化剂设计范式，原子阵列催化剂不仅能够大幅降低贵金属用量，并预计在化学品合成、能源和环境催化领域都将有着广阔的应用前景。

该成果以题为“在晶态氧化锰表面原位重构钌原子阵列用于酸性电解水”（“In-situ reconstructed Ru atom array on α-MnO₂ with enhanced performance for acidic water oxidation”）发表在国际顶级期刊《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

我室固定人员李小鹏研究员与上海光源姜政研究员、复旦大学刘智攀教授、韩国汉阳大学李政昊教授为共同通讯作者，纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）为论文第一完成单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金、东华大学励志计划、东方学者以及上海市人才发展资金等基金的资助。

全文链接： https://www.nature.com/articles/s41929-021-00703-0