我院田中群院士团队范凤茹教授和李剑锋教授合作，在钌基电催化剂用于催化氢氧化反应（HOR）机理研究中取得重要进展，相关成果以“Improving the Hydrogen Oxidation Reaction Rate of Ru by Active Hydrogen in the Ultrathin Pd Interlayer”为题，发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2023，DOI: 10.1021/jacs.3c02604）。
氢氧化反应（HOR）是阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中的基本反应。在碱性条件下，HOR反应的动力学受到Volmer步骤M-Had+OH-→M+H2O+e-的限制。当前，AEMFCs的HOR半反应仍面临以下挑战：1）开发低成本且高活性的无铂（Pt）阳极催化剂以满足进一步商业化的需求；2）研究碱性条件下的HOR反应机理以设计高活性的催化剂。钌（Ru）因具有与Pt类似的性质和较低廉的价格，被视为铂基催化剂的潜在替代品。与其它过渡金属一样，Ru比Pt更亲氧，并且在较低的阳极电位下优先形成Ru-OHad或者Ru-Oad物种。这导致Ru在阳极电位范围内保持无氧化物表面，使其与Had中间体的键合变得困难，从而显著降低了HOR反应的活性。因此，迫切需要新的策略来解决Ru基催化剂在HOR中活性不足的问题。另一方面，如何获取反应界面处的分子演化信息，以充分阐明碱性HOR的机理，仍然具有挑战性。
本研究采用在Au@Pd纳米粒子上生长薄层Ru，构建了核壳结构的纳米晶催化剂。通过将催化反应中间体（OHad）的原位表面增强拉曼光谱（SERS）与原位X射线衍射（XRD）、电化学表征以及DFT计算相结合，研究了Ru基催化剂改善HOR活性的潜在机制。结果表明，Au@Pd@Ru纳米催化剂利用夹层Pd的氢储存能力来"暂时"存储界面富集的活化氢，并在"氢缺乏界面"自发释放，与Ru表面吸附的OHad发生反应。同时，通过精确控制夹层Pd的厚度，发现超薄Pd夹层的晶格膨胀更有利于高效储存和释放活性氢，在降低决定反应速率的Volmer步骤能垒方面起到重要作用。这项研究深化了对HOR机制的理解，并为先进HOR电催化剂的合理设计提供了新的思路。
本工作是在范凤茹教授、李剑锋教授和南子昂博士的共同指导下完成。2021级博士生宋现孟、河南师范大学副教授张霞光和2021级硕士生邓永亮为论文共同第一作者。催化剂的HS-LEIS测试得到了陈明树教授的大力支持。原位XRD的表征与谢兆雄教授团队合作完成。该工作得到了国家重点研发计划（2020YFB1505802）、国家自然科学基金（21727807、22021001、22202163、22222305、22002036和22072122）以及校长基金（20720220013）的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c02604
