氢气(H2)因其多功能性、高能量密度和环境友好性而被广泛认为是一种有前景的能量载体。以H2作为燃料的燃料电池是实现氢能与电能高效转换最具竞争力的技术之一。
与商业化的质子交换膜燃料电池(PEMFCs)相比，碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)在未来的大规模应用中表现出巨大的潜力，因为AEMFCs不严重依赖Pt基金属(PGM)基催化剂，这将大大降低系统成本。但是，除了氧还原反应的高过电位外，AEMFCs的电化学性能也受到缓慢的氢氧化反应(HOR)的限制。
目前，仍然缺乏低成本和高活性的碱性HOR电催化剂。基准Pt基催化剂上的HOR动力学在碱性电解质中明显比酸性电解质中更为迟缓，这需要更高的Pt负载来降低HOR过电位。因此，开发新的电催化化学和探索新的电催化剂体系，以解决碱性HOR动力学迟缓的问题具有重要意义。
近日，浙江大学孙文平课题组设计了一种N掺杂碳(NC)负载的具有高活性簇尺度Ru-钨氧化物界面的强耦合多位点电催化剂(Ru-WOx/NC)，该催化剂可以消除竞争吸附现象，并分别在Ru和WOx上实现OHad和Had的高覆盖度。
实验结果表明，Ru-WOx/NC催化剂的半波电位(E1/2)为12 mV，交换电流密度(j0)和动力学电流密度(jK)分别为0.98 mA cm-2和4.02 mA cm-2 (0.03 VRHE)，优于大多数文献报道的碱性HOR电催化剂。此外，经过10000次ADT测试后，Ru-WOx/NC的电流密率下降可忽略不计，且稳定性测试后材料的形貌和结构也未发生明显变化。
基于实验和理论计算研究，研究人员提出了Ru-WOx/C催化剂的界面HOR途径，该途径由WOx团簇的质子海绵效应触发，这与PGM/金属氧化物体系的传统双功能机制不同。
具体而言，金属Ru位点对Tafel过程(氢解离)具有优异的电催化活性，随后氢溢出到相邻的WOx质子容器，形成高反应性界面WO-Had。同时，界面Ru-OHad和反应性WO-Had相结合形成H2O，发生了热力学和动力学上有利的Volmer过程。界面上暂时耗尽的WO-Had可以通过氢溢出从金属Ru位点补充到质子化的WOx。
总的来说，该项研究通过消除Had和OHad中间体的竞争吸附实现了HOR过程加速，为理解碱性HOR过程和设计先进的AEMFCs阳极催化剂提供了参考范例。
Cluster-scale multisite interface reinforces ruthenium-based anode catalysts for alkaline anion exchange membrane fuel cells. Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202502127
孙文平，山东烟台人，研究员，博士生导师，分别于2008年和2013年在中国科学技术大学材料科学与工程系获学士和博士学位。入选国家海外高层次青年人才计划和浙江省人才计划（创新长期）。曾获中科院优秀博士学位论文奖和ARC Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)。2013-2016年，先后在新加坡南洋理工大学和澳大利亚伍伦贡大学从事博士后研究工作，2016年在伍伦贡大学开展独立科研工作，2020年加入浙江大学。长期从事电化学能源材料与器件、金属基催化材料等研究工作。在Nat. Catal.、AM、Nat. Commun.、Angew.等期刊以通讯作者或第一作者发表论文100余篇，论文累计被引18000余次，H-index 74。承担国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划课题、浙江省自然科学基金重点项目等科研项目多项。