在UC Santa Cruz开发的一种新型钌基催化剂在碱性水电解中用于制氢的性能明显优于商业铂催化剂。催化剂是由碳纳米线组成的纳米结构复合材料，其中钌原子与氮和碳键合以在碳基质内形成活性位点。
水的电化学分裂产生氢气是氢气作为清洁，环保燃料的发展中的关键步骤。降低成本和提高该工艺效率的大部分努力都集中在寻找昂贵的铂基催化剂的替代品上。
在加州大学圣克鲁兹分校，由化学和生物化学教授Shaowei Chen领导的研究人员一直在研究通过将钌和氮纳入碳基纳米复合材料制成的催化剂。他们于2月7日在Nature Communications上发表的新发现不仅展示了其钌基催化剂的令人印象深刻的性能，而且还提供了对所涉及机制的见解，这可能会导致进一步改进。
“这清楚地表明，钌在催化水中氢的生成方面具有显着的活性，”陈说。“我们还对原子尺度的材料进行了表征，这有助于我们了解机理，我们可以将这些结果用于合理设计和设计钌基催化剂。”
该材料的电子显微镜和元素映射分析显示钌纳米颗粒以及碳基质内的各个钌原子。令人惊讶的是，研究人员发现催化活性的主要部位是单个钌原子而不是钌纳米颗粒。
“这是一个突破，因为许多研究将催化活性归因于钌纳米颗粒。我们发现单个原子是主要的活性位点，尽管纳米颗粒和单个原子都有助于活性，”第一作者Bingzhang Lu，研究生说。在加州大学圣克鲁兹分校的Chen实验室。
卢与化学和生物化学助理教授袁平合作，进行理论计算，说明为什么钌单原子比钌纳米颗粒更具活性催化中心。
“我们根据第一原理进行了独立计算，以显示钌如何与这种材料中的碳和氮形成键，以及这如何降低反应势垒以提供更好的催化活性，”Ping说。
陈说他已经为钌基催化剂的实验制备申请了专利。他指出，除了作为可持续能源系统一部分的氢生产的潜在应用之外，碱性水电解已经广泛用于化学工业，因为一种称为氯碱电解的相关工艺也可以使用钌催化剂。 。因此，对于更便宜，更有效的催化剂已经存在大的市场。
水的电解产生氢气可以在酸性或碱性条件下进行，每种方法都有优点和缺点。铂催化剂在酸性介质中比在碱性介质中更有效。Chen表示，钌基催化剂在酸性介质中的表现几乎与铂一样好，而在碱性介质中表现优于铂。
在未来的工作中，研究人员将寻求最大化材料中活性位点的数量。他们还可能会研究在同一纳米复合材料平台中使用其他金属。