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图 （a）Ru-CrOx团簇-团簇异质结构示意图；（b）Ru-CrOx团簇-团簇异质结构高分辨TEM照片；（c）碱性析氢反应催化性能与文献对比图；（d）碱性膜燃料电池在0.65 V工作时，阳极催化剂质量活性与文献对比图
在国家自然科学基金项目（批准号：52171224）等资助下，浙江大学潘洪革教授、孙文平研究员与合作者设计出一种强耦合Ru-CrOx团簇-团簇异质结构电催化材料，实现了目前文献报道最高的碱性氢氧化反应和析氢反应催化性能。在碱性阴离子交换膜燃料电池测试中，0.65 V工作电压下可实现22.4 A mgRu-1的超高质量活性，在500 mA cm-2工作电流下可稳定运行105 h。该研究成果以“一种强耦合Ru-CrOx团簇-团簇异质结构实现高效碱性氢电催化反应（A strongly coupled Ru–CrOx cluster–cluster heterostructure for efficient alkaline hydrogen electrocatalysis）”为题，在《自然·催化》（Nature Catalysis）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-024-01126-3。
氢能是我国未来能源体系的重要组成部分，也是能源结构实现绿色低碳转型的重要载体。碱性阴离子交换膜电解槽和燃料电池是实现高效电-氢转换的重要技术，其工作环境腐蚀性小，可以使用廉价的非铂族金属催化材料，是质子交换膜电解槽和燃料电池的有力竞争技术路线。然而，碱性条件下的氢电催化反应动力学比在酸性环境中低两个数量级左右，导致碱性膜燃料电池氢电极需要高载量铂族金属催化剂才能输出较高的功率密度。因此，发展兼具高活性、高稳定性和低成本的碱性氢电催化材料是目前金属催化领域的研究前沿和热点，对推动具有成本优势的碱性阴离子交换膜氢能源器件的商业化应用具有重要意义。
针对上述挑战，研究团队首次提出构筑团簇尺度的金属基异质结构催化材料实现碱性氢电催化性能突破，不仅利用异质结构界面多金属位点实现协同催化，而且通过强耦合界面实现对不同金属位点电子结构的同步优化。基于此，研究团队构建了由廉价的晶态Ru团簇和非晶态CrOx团簇组成的Ru–CrOx异质结构（约2-3 nm）（图a-b）。均匀锚定在氮掺杂碳载体上的Ru–CrOx团簇-团簇异质结构具有高密度的界面活性位点，有助于实现高效的多位点协同催化。同时，该团簇-团簇异质结构界面存在强相互作用，Ru团簇中的Ru原子可以渗透到CrOx团簇中，并形成大量Ru-O-Cr桥接界面。强耦合Ru–CrOx界面极大改善了界面电荷分布，优化了反应中间体在每个团簇上的吸附行为，显著促进了碱性氢电催化反应中的Volmer决速步。鉴于Ru–CrOx团簇-团簇异质结构的独特性质，该材料成为目前碱性氢电催化领域性能最优的催化材料之一。实现10 mA cm-2的碱性析氢电流，过电位仅为7.0 mV（图c）；在碱性膜燃料电池中，0.65 V工作电压下可实现22.4 A mgRu-1的超高质量活性（图d），在500 mA cm-2工作电流下可稳定运行105 h。该工作提出的金属基团簇-团簇异质结构为发展适用于复杂反应体系的高性能金属催化材料提供了新的思路，对推动金属基团簇材料科学的发展也具有重要意义。