準确調節催化劑活性位點對高效催化過程至關重要，但仍面臨相當大的挑戰。

近日，永利6774app手机版官网李軒科、張琴團隊在Advanced Energy Materials期刊發表題為“Bridged Mn-O-Ru Motifs in RuO2 Catalyst Promoting Hydrogen Production at Ampere-Level Current Density”的研究論文，團隊成員李琪琪為論文第一作者，湖北航天化學技術研究所劉性輝、李軒科、張琴、比利時哈塞爾特大學楊年俊為論文共同通訊作者。

該研究通過将Mn原子引入到RuO₂基體中，形成了局部氧化态的不對稱Mn-O-Ru橋接結構。Mn-O-Ru微結構上各活性位點的協同效應确保了其具有優異的堿性HER性能。理論計算表明，在Mn-O-Ru橋接結構的誘導下，Ru位點的水解離能力顯著提高，而橋接氧具有最佳的氫吸附自由能。正如預測的那樣，Mn-RuO₂催化劑在1 M KOH和1 A cm^-2和2 A cm^-2電流密度下的過電位分别為118和160 mV，優于RuO₂和商用Pt/C催化劑。在堿性條件下，該Mn-RuO₂電催化劑可在10 mA cm^-2下穩定工作，壽命長達300 h。此外，在組裝的液流電池中作為陰極時，隻需要1.87 V就電流密度可以達到1.0 A cm^-2。該研究為獲得理想高效HER電催化劑提供了催化局部環境設計的新思路。

研究人員通過硒提取氧化策略成功地在钌電催化劑（Mn-RuO₂）中引入了Mn-O-Ru橋接結構。在原子水平上，研究人員通過X射線光電子能譜和X射線吸附能譜證明了Mn-O-Ru橋接對的引入精确地調節了Ru-O鍵的局部電子環境。因此，Mn-RuO₂催化劑具有令人印象深刻的堿性HER活性。特别是，在1000 mA cm^-2和2000 mA cm^-2的安培級電流密度下，其過電位分别為118 mV和160 mV，遠遠優于RuO₂和商用Pt/C催化劑。此外，在堿性條件下，Mn-RuO₂電催化劑可在10 mA cm^-2下穩定運行，壽命長達300 h。以Mn-RuO₂作為陰極的組裝液流電池性能優異，僅需1.87 V電流密度即可達到1.0 A cm^-2。同時，它在1.8 V下具有5.36 A mg^-1的高質量活性和357.33 A/美元的顯著價格活性，明顯優于商用的Pt/C對照物。理論計算表明，界面Mn-O-Ru橋有效地促進了H₂O分子在Ru位點的吸附，橋接的氧表現出最佳的氫吸附自由能。因此，該研究闡明了合理構建多個活性位點的關鍵作用，為進一步設計高性能催化劑提供了指導。

總之，該研究成功将Mn-O-Ru橋接結構整合到RuO₂基體中，從而實現高活性和堿性穩定的HER電催化。Mn-RuO₂電催化劑隻需要118和160 mV的低工作電位電流密度就能分别達到1和2 A cm⁻²。此外，Mn-RuO₂可以在10 mA cm⁻²下穩定運行300小時。采用Mn-RuO₂陰極組裝的雙電極液流電解槽在1.87 V的低電池電壓下可提供1 A cm⁻²的工業級電流密度。先進的表征和理論計算表明，Mn-O-Ru橋改變了RuO₂載體的電子和配位環境。因此，Mn-RuO₂電催化劑上的Ru位點吸附H₂O的能力很強，在橋氧原子上吸附H中間體的能量适中，因而具有優異催化性能。該研究挖掘了更具成本效益的RuO₂材料的應用潛力，并指導了超高電流水平下高效HER催化劑的設計。