【儀表網 研發快訊】堿性陰離子交換膜燃料電池因具備可兼容非貴金屬催化劑、系統成本低、安全性高等優勢，被認為是下一代可持續氫能轉換技術的重要發展方向。然而，在堿性介質中，氫氧化反應(HOR)動力學顯著遲滯，尤其是在高電流密度運行條件下，電極/電解質界面處質子耦合傳遞受限、反應中間體吸附強度失衡等問題嚴重制約了燃料電池性能提升。釕作為價格低于鉑且具有相近d帶電子結構的鉑族金屬，被視為發展低成本、高性能堿性HOR催化劑的潛在替代材料，但其界面反應動力學和器件性能仍有待突破。
針對上述挑戰，西安交通大學化學學院曾令有研究員(丁書江教授團隊)攜手北京大學郭少軍教授，提出了“稀土單原子調控內建電場和界面水分子取向”的催化劑設計策略。研究團隊通過可控陽離子交換與部分還原工藝，成功構筑了Gd單原子嵌入的Ru/RuO?異質結構催化劑(Ru/RuO?-Gd@C)。該策略利用孤立Gd原子誘導Ru/RuO?界面形成更強的非對稱電荷分布，增強異質結構內建電場，進而調控Ru活性位點的表面親氧性和界面水分子取向。研究表明，Gd單原子引發的電子結構調控能夠優化催化劑表面羥基物種覆蓋，促進電極/電解質界面處“氧朝下”水分子構型(H2O↓)的取向重構。該有序水結構進一步強化了界面氫鍵網絡，構建了高效的質子傳導通道，從而顯著加速堿性HOR反應動力學。基于這一機制，Ru/RuO?-Gd@C催化劑實現了8.87 mA μgRu-1的質量活性和0.39 mA cm-2的交換電流密度，分別為商業Pt/C的6.6倍和2.0倍。進一步組裝的陰離子交換膜燃料電池實現了16.3 W mgRu-1的Ru質量歸一化峰值功率密度，并可穩定運行超過60小時。該研究從內建電場調控、界面親氧性優化和水分子取向重構三個層面揭示了高效堿性HOR催化的界面調控機制，為發展低貴金屬用量、高性能和高穩定性的堿性氫燃料電池陽極催化劑提供了新思路。
研究成果以《釓摻雜Ru/RuOx異質結構界面水的重新取向增強堿性氫氧化電催化》(Interfacial Water Reorientation in Gadolinium-Doped Ru/RuOx Heterostructures Boosts Alkaline Hydrogen Oxidation Electrocatalysis)為題發表于國際化學領域頂級期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。西安交通大學化學學院為第一署名單位。西安交通大學化學學院博士生李領、趙伊茹和北京大學助理研究員李璐為論文共同第一作者，西安交通大學曾令有研究員和北京大學郭少軍教授為論文共同通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金面上項目、西安交通大學青年拔尖計劃、中央高校基本科研業務費、北京市杰出青年科學基金、中國博士后科學基金等項目的支持，并獲得西安交通大學國家儲能技術產教融合創新平臺和西安交通大學分析測試中心在測試表征方面的支持。
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