香港科技大学发现新机制 可提高氢燃料电池中双金属催化剂的活性

据外媒报道，香港科技大学（HKUST）和厦门大学（Xiamen University）的研究人员揭示，对表面钌原子如何改善铂的析氢和氧化活性的新认识。这一发现打开了新的途径，有助于合理设计更加先进的催化剂，以用于电解槽和燃料电池应用。

(图片来源：香港科技大学)

氢是不含碳的清洁能源载体，在推进可持续社会发展方面，有望扮演重要角色。可以使用可再生能源，通过电解槽中的析氢反应（HER），用水来制氢；并在燃料电池中通过氢氧化反应（HOR）消耗氢来发电。

不幸的是，在碱性介质中，即使使用最活跃的铂催化剂，这两种反应的动力学表现仍然很缓慢。缓慢的反应速率，使这两种电化学装置的效率受到影响，并阻碍其大规模应用。已知可以通过表面改性或与钌形成合金，来提升HER/HOR的铂反应速率。然而，数十年来，这种做法受到争议，部分原因在于对催化剂表面的氢原子行为缺乏直接观察。

为了揭示铂－钌双金属催化剂提升HER/HOR反应速率的谜底，由HKUST化学与生物工程系及能源研究所的Minhua Shao教授领导的研究团队，通过强大的表面增强红外吸收光谱（SEIRAS），直接监控不同表面上重要的反应中间体氢原子的粘结强度。通过综合的电化学、光谱学和理论研究，研究人员证实，与次表面铂相互作用的表面钌原子，比铂的活性高一个数量级，即钌原子是该系统中的主要活性位点，而不是铂原子。

研究人员表示：“以前的工作主要使用传统电化学和表征技术，不能直接监测氢反应中间体的吸附行为。在这项研究中，我们使用了强大的表面增强红外吸收光谱，这是极少数可以直接看到表面氢原子的技术之一。同时，为我们提供了关于钌如何提高活性的更直接的信息。这项工作排除了最普遍的理论，即铂和钌之间界面的双功能效应是活性增加的原因，并为未来设计更加领先的HER/HOR催化剂打开新的方向。不论在水电解槽或氢燃料电池中，都将有助于减少使用贵金属。”

目前，基于这些发现，研究人员正在开发实用的高性能双金属铂-钌电催化剂。