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背景介紹

電催化水分解過程包括陽極的析氧反應(yīng)(OER)和陰極的析氫反應(yīng)(HER)。由于其動力學(xué)緩慢，電子傳遞過程復(fù)雜，需要使用一種高效的電催化劑才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。為了開發(fā)高活性和穩(wěn)定的電催化劑，研究人員篩選了多種催化劑，包括貴金屬、非貴金屬和金屬氧化物。

在貴金屬中，Ir基催化劑對OER表現(xiàn)出顯著的活性和穩(wěn)定性，而Pt基電催化劑是最佳的HER催化劑。雖然基于非貴金屬過渡金屬的納米材料在水分解中也發(fā)揮著重要作用，但其性能還不能與貴金屬基催化劑相比。特別是，作為Pt和Ir的廉價(jià)替代品，Ru基電催化劑作為OER電催化劑得到了廣泛的研究，最近也得到了用于電催化HER的考慮。

然而，大多數(shù)報(bào)道的Ru基催化劑制備步驟復(fù)雜，在堿性溶液中OER過程中存在嚴(yán)重的過氧化和溶解現(xiàn)象，在酸性環(huán)境中存在較高的HER過電位，難以實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)新的Ru基電催化劑來解決這些問題是非常重要的。

成果介紹

陳昕/陳晨/李亞棟院士Angew：單原子催化新進(jìn)展，助力高性能OER/HER雙功能電催化劑！

北京科技大學(xué)陳昕、清華大學(xué)陳晨、李亞棟院士等人成功地通過水熱過程、將單原子Co嵌入到RuO₂球中(記為Co-SAC/RuO₂)，并通過XAS、AC-STEM和DFT計(jì)算對RuO₂球中的單原子Co進(jìn)行了確認(rèn)。Co與RuO₂的結(jié)合顯著提高了其對OER和HER的效率，所得到的催化劑在1 M KOH中、在10 mA/cm²處OER過電位僅為200 mV，在0.5 M H₂SO₄中、在10 mA/cm²處HER過電位僅為45 mV。在20小時(shí)的連續(xù)測試中，該催化劑的性能沒有發(fā)生任何顯著變化。

單原子Co調(diào)制策略不僅大大緩解了堿性O(shè)ER條件下RuO₂的穩(wěn)定性問題，而且顯著提高了酸性O(shè)ER條件下Ru基電催化劑的HER活性。相關(guān)工作以Cobalt Single Atom Incorporated in Ruthenium Oxide Sphere: A Robust Bifunctional Electrocatalyst for HER and OER為題在Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表論文。

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