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記者從中國科學技術大學獲悉，該校國家同步輻射實驗室姚濤教授課題組與化學與材料科學學院楊金龍教授課題組合作，首次精確探測到釕基單原子催化劑在酸性電化學析氧反應過程中的催化活性位點的動態(tài)變化過程，并依此設計出高活性和高穩(wěn)定性的酸性析氧催化劑，研究成果10月24日在線發(fā)表于《自然·通訊》雜志上。
質子交換膜水電解池(PEMWE)因其轉化效率高、氫氣純度高、無污染等優(yōu)點被認為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N制氫技術。然而，陽極析氧反應由于其緩慢的動力學速率以及催化劑在酸性環(huán)境下的不穩(wěn)定性，成為制約PEMWE廣泛應用的瓶頸，亟須設計高效穩(wěn)定的酸性析氧電催化劑來提升PEMWE的效率。但如何在工作條件下實時監(jiān)測催化劑的活性位原子和電子的動態(tài)變化過程，成為目前催化劑理性設計的前提和挑戰(zhàn)。
研究團隊選取活性位點高度均一的釕基單原子催化劑作為研究對象，該催化劑在析氧反應中達到10 mA cm-2的電流密度僅需267 mV的過電勢。同時，利用同步輻射原位X射線吸收譜和紅外譜實驗裝置，實時監(jiān)測催化劑在工作條件下結構的動態(tài)演化過程。理論計算也進一步證實了動態(tài)氧吸附可以有效地促進電子由釕原子向被吸附的氧原子傳遞，有效地避免對反應物種的強吸附，從而顯著降低反應所需的過電勢，促進了其催化活性的顯著提高。
這項發(fā)現(xiàn)為今后PEMWE實際應用開發(fā)新型高效穩(wěn)定的催化劑提供了實驗基礎，也從原子尺度研究催化材料表面/界面的動態(tài)過程提供了理論指導。（科技日報 記者吳長鋒）
