近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和材料科学与工程系陈乾旺教授团队提出了一种解决Ru基催化剂在碱性氢氧化反应中高电位失活的策略，合成的催化剂Mn1Ox(OH)y@Ru/C在过电位高达1.0 V（相对于可逆氢电极）时仍具有高活性，并以此作为阳极催化剂进行了阴离子交换膜氢氧燃料电池的组装，峰值功率密度达到了1.731 W cm-2。为抗高电位失活的催化剂设计提供了新思路。相关成果以“Local Charge Transfer Unveils Antideactivation of Ru at High Potentials for the Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction”为题发表在国际学术期刊J. Am. Chem. Soc.上。文章的第一作者是中国科学技术大学2023级博士生石宏达和特任副研究员杨阳，通讯作者为杨阳副研究员和陈乾旺教授。
随着阴离子交换膜和碱性条件下阴极氧还原无Pt催化剂的发展，阴离子交换膜燃料电池显示出巨大的应用前景。由于其更低的价格，Ru是阴离子交换膜燃料电池阳极氢氧化催化剂中Pt的潜在替代品。然而，Ru基碱性氢氧化电催化剂的活性通常随着催化电位的增加而迅速下降，因为它们比Pt具有更强的氧亲和性。此外，在阴离子交换膜燃料电池中，电池极性反转通常不可避免地发生，从而提高了氢燃料电池在启动和关闭期间的阳极电位。因此，相对于可逆氢电极，氢氧化催化剂必须在高达0.3 V的电位下保持其催化活性，以获得可观的功率输出。而解决这一问题的最大挑战是钌基电催化剂在高电位下HOR性能衰减的机理尚不清楚。
本工作通过深入研究，提出Ru基催化剂HOR活性在高电位时迅速衰减是由于Ru纳米粒子在高电位下带有大量电荷，导致其对含O物种（OH*）的吸附显著增强所致。本文通过对Ru纳米颗粒进行Mn1Ox(OH)y团簇修饰（Mn1Ox(OH)y@Ru/C），促进电荷从Ru纳米颗粒转移到Mn1Ox(OH)y团簇来解决上述问题。我们通过原位实验证明，在高电位的HOR中，电子可以成功地从Ru纳米粒子转移至Mn1Ox(OH)y簇中Mn上，导致MnⅢ向高自旋态的MnⅡ转变，从而降低了Ru对O物种的过度吸附。结果表明，Mn1Ox(OH)y@Ru/C催化剂在高电位下表现出优异的催化活性和稳定性，即使在1.0 V vs. RHE下也是如此。Mn1Ox(OH)y@Ru/C阳极的峰值功率密度为1.731 W cm−2，远高于商业Pt/C作为阳极催化剂的电池性能。
这一工作探明了Ru基催化剂碱性氢氧化反应失活的原因，同时也为抗高电位失活的氢氧化催化剂设计提供了新的思路。该项研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03622