《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线刊发了我院王春栋副教授团队与台湾大学陈浩铭教授关于真正双位点双功能电催化剂的最新研究成果“Atomic Metal-support Interaction Enables Reconstruction-free Dual Sites Electrocatalyst（即原子金属-载体相互作用实现无重构的真正双功能电催化剂）”。我院博士研究生孙华传，台湾大学童敬维博士和南方科技大学邱杨博士为共同第一作者，王春栋副教授、陈浩铭教授为论文共同通讯作者，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心为论文第一完成单位。
为实现“碳中和”和“碳达峰”的战略远景目标，发展氢能等清洁能源迫在眉睫。电化学水裂解被公认为是最有前景的制氢方法之一，该过程的半反应为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)；然而，由于该反应涉及多个质子耦合电子转移，因此表现出缓慢的反应动力学。因此，开发具有低过电位和快速反应动力学的高效双功能电催化剂，对于大规模制氢是非常重要的。贵金属基材料如Pt、Ru、RuO2和IrO2，是目前最先进的电催化剂；然而，它们的高成本和低储量等缺点严重阻碍着进一步的广泛应用。因此，科研人员开发出一系列用于HER和OER过程的替代型非贵金属电催化剂，包括过渡金属硫化物、碳化物、磷化物、氮化物、硫族化合物、氧化物和氢氧化物等。其中，一些催化剂可以同时表现出优异的OER和HER催化活性，因此通常被称为“双功能电催化剂”。值得注意的是真正用于析氢反应（HER）和析氧反应(OER)的双功能电催化剂必须在反应期间或反应之后表现出稳定的构型，而不发生不可逆的结构转变或表面重构。否则，这类材料可以被称为“预催化剂”，而非真正的催化剂。
图1双活性位点的HER和OER示意图
为此，研究团队提出通过强原子金属-载体相互作用，成功将原子级分散的Ru修饰到镍-钒层状双氢氧化物(LDH)载体上，从而形成单原子分散催化剂并表现出优异的HER和OER活性。原位X射线吸收光谱和原位拉曼光谱研究均表明，镍-钒LDH表面上原子Ru的存在不仅在稳定富含悬空键的表面方面起着至关重要的作用，还可以进一步导致无重构表面。通过镍-钒LDH提供的强金属-载体相互作用，可以稳定反应性原子Ru位点，使其氧化态在阴极HER过程中只发生一个小波动而无需重构;同时，Ru原子位点还可以稳定Ni位点，使Ni对阳极OER过程中因为氧化引起的键收缩和结构畸变具有更大的结构耐受性，并促进Ni位点的氧化态增加，这有助于提升OER性能。与许多在HER/OER循环过程中发生结构重构或结构转化的双功能催化剂不同，本文所提出的Ru/Ni3V-LDH具有稳定的双反应位点特性(即Ru和Ni位点)，并且在水分解过程中存在着强金属-载体相互作用，所以可称之为真正的双功能电催化剂。
图2. Ru/Ni3V-LDH在1.0 M KOH溶液中催化HER/OER过程中的原位AS/Raman光谱
研究团队通过在Ni基层状双氢氧化物中引入高价早期过渡金属钒(即Ni3V-LDH)作为载体，然后将原子级分散的Ru修饰到Ni3V-LDH上，从而成功开发出一种真正的双位点双功能催化剂，即Ru/Ni3V-LDH。该研究中展示的概念可作为真正双位点双功能催化剂的原型，可能成为定义真正双位点双功能催化剂的分水岭。该研究工作得到了国家自然科学基金（51972129）、国家重点研发计划（2017YFE0120500）等项目资助。该团队近两年来基于活性位点探究/调控开发了系列低能耗电催化剂材料（Nano Energy, 2021, 85, 106030；Appl. Catal. B-Environ., 2021, 284, 119740；Energy Environ. Sci., 2020, 13, 3032；Appl. Catal. B-Environ., 2020, 272, 118988；ACS Nano, 2019, 13, 11853热点/高倍引论文；Adv. Energy Mater, 2019, 1803358热点/高倍引论文）。
