阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）因可在阴极使用非贵金属氧还原催化剂而受到广泛关注，但其阳极碱性氢氧化反应（HOR）动力学缓慢，仍高度依赖 Pt 基催化剂。Ru 由于成本相对较低，被认为是潜在的 Pt 替代催化剂，但其在碱性介质中对 H* 和 OH* 的吸附行为并不理想，限制了反应动力学。
本工作通过构建一种 扭曲的Ru同质结结构（Ru/C-homo），在不引入异质界面的前提下，利用晶界处的配位缺陷与晶格应变调控 Ru 的电子结构。实验与理论结果表明，该结构可同时优化 H* 与 OH* 的吸附热力学，并显著降低中间体迁移能垒，从而提升碱性 HOR 活性。在 AEMFC 器件中，该催化剂展现出优于 Pt/C 与 PtRu/C 的HOR性能。以Ru同质结为阳极的AEMFC峰值功率密度高达1.81 W cm-2。
研究背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）已在部分领域实现商业化，但其对贵金属催化剂的依赖及酸性环境下的稳定性问题，限制了进一步应用。相比之下，AEMFC 允许在阴极侧采用非贵金属 ORR 催化剂，具备潜在成本优势。然而，在碱性条件下，阳极HOR 反应速率显著降低，使阳极仍需使用 Pt 基催化剂驱动。从机理角度看，碱性 HOR 通常遵循 Tafel–Volmer 或 Heyrovsky–Volmer 路径，H* 与 OH* 中间体的吸附行为对反应速率具有重要影响。已有研究表明，相比 Pt，Ru 对 H* 与 OH* 的吸附能偏离最优区间，导致其本征活性不足。近年来，基于双功能机理构建 Ru/氧化物异质结被广泛用于改善 Ru 基催化剂的 HOR 性能。然而，由于异质界面处存在功函数差异和界面能垒，H* 与 OH* 的迁移往往受限，反应局限于有限的界面区域，活性位点利用率不高。因此，如何在避免异质界面迁移阻碍的同时，实现对 Ru 吸附行为的有效调控，仍是该领域面临的重要问题。
本文亮点
1、提出一种不依赖异质界面的 Ru 催化剂调控策略
不同于常见的 Ru/氧化物异质结构设计，本文通过构建扭曲的Ru–Ru同质结构，在同一金属体系内引入晶界与局域应变，实现对Ru催化性能的调控，避免了异质界面可能带来的中间体迁移阻碍。
2、揭示同质晶界对 H* 与 OH* 吸附行为的协同调控作用
晶界处的低配位 Ru 位点增强了 OH* 的局域吸附能力，而晶格压缩应变调节了 Ru 的电子结构，使 H* 吸附强度向最优区间移动，从而在同一结构中实现对关键中间体的非对称调控。
3、证实同质结构有利于中间体快速迁移
与异质结构相比，Ru–Ru 同质界面不存在明显界面能垒，有利于 H* 与 OH* 在不同活性位点间迁移。原位表征、电化学测试及理论计算表明，该结构中中间体迁移动力学加快。
4、在碱性 HOR 中实现优秀的催化活性
所构建的 Ru/C-homo 催化剂在碱性条件下表现出显著提升的交换电流密度和动力学电流密度，其 HOR 活性优于常规 Ru 基催化剂和商业 Pt/C 催化剂。
5、在 AEMFC 器件中展现出良好的应用潜力
以 Ru/C-homo 作为阳极催化剂的 AEMFC 单电池在 H2/O2和 H2/air 条件下均获得高的功率密度，并在长时间运行中保持稳定输出，显示出其作为AEMFC阳极催化剂的实际可行性。
催化剂构建与结构表征
文中采用 MOF衍生碳材料作为载体，通过限域碳化与后处理策略制备了 Ru/C-homo 催化剂。TEM 与 SAC-TEM 表征显示，Ru 纳米颗粒均匀分散于多孔碳基底上，且大量 Ru 纳米颗粒以成对形式存在，形成具有一定旋转角度的 Ru–Ru 同质结。
原子分辨图像清晰揭示了晶界区域存在的原子位移、空位与位错结构。进一步的 XRD、EXAFS 与 GPA 分析表明，这些晶界区域伴随明显的晶格压缩，应变主要集中在 Ru–Ru 接触界面附近。相比之下，对照样品 Ru/C-iso 中 Ru 纳米颗粒多为孤立分布，缺乏明显的晶界结构。
晶界诱导的电子结构调控
XPS 与 UPS 测试结果显示，Ru/C-homo 中 Ru 的结合能与 d 带中心相较 Ru/C-iso 出现系统性变化，表明晶界结构对 Ru 的电子结构产生了明显调控。EXAFS 拟合结果进一步证实，Ru/C-homo 中 Ru–Ru 配位数明显降低，Ru–Ru键键长变短，这与晶界处的原子空位和压缩效应相一致。这种结构特征对中间体吸附行为产生了直接影响。CO stripping 与原位 Raman 结果表明，Ru/C-homo 对 OH* 的吸附能力相较对照样品有所增强， 原位 FTIR 测试显示，Ru/C-homo 中 Ru–H 振动峰相较 Ru/C-iso 出现明显红移，表明 HBE 得到一定程度的削弱。
H* 与 OH*的迁移动力学
除吸附热力学外，中间体的迁移动力学同样对 HOR 过程至关重要。电压扫描速率 CO stripping 与 H/D 同位素实验结果表明，在 Ru/C-homo 中，H* 与 OH* 的迁移过程不再成为速率限制步骤。这一现象与同质结构中缺乏异质界面能垒密切相关。
碱性 HOR 电化学性能
在 H2饱和的 0.1 M KOH 中，Ru/C-homo 在较低过电位下即可达到扩散限制电流密度，其动力学电流密度与交换电流密度均明显优于 Pt/C、Ru/C、Ru/C-iso 及 Ru/CeO2。
此外，Ru/C-homo 在碱性条件下表现出良好的稳定性与抗 CO 中毒能力，长时间测试后性能衰减较小，显示出在实际应用中的潜在优势。
AEMFC 器件性能
在 AEMFC 器件测试中，以 Ru/C-homo 作为阳极催化剂的单电池在 H2/O2条件下获得了1.81 W cm-2的峰值功率密度，整体性能优于 Pt/C 与 PtRu/C 对照体系。在 H2/air 条件下，其性能优势仍然保持。在降低贵金属负载量的情况下，该体系仍能维持较高的质量功率密度，并在长时间恒流运行中表现出良好的电压稳定性，表明该结构在器件层面具备应用价值。
总结
本工作通过构建Ru–Ru 同质结构，引入晶界处的配位缺陷与晶格应变，在不依赖异质界面的情况下，实现了对 Ru 催化性能的有效调控。晶界区域增强了 OH* 的局域吸附能力，而压缩应变则优化了 H* 的吸附强度，并降低了中间体迁移能垒。该研究为 Ru 基碱性 HOR 催化剂的设计提供了一种新的结构调控思路，也表明同质晶界工程在电催化领域具有值得进一步探索的潜力。
文章链接
, , , et al. “ Twisted Ru Homostructures Enable High-Efficiency Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction.” Advanced Materials (2026): e22811. https://doi.org/10.1002/adma.202522811