近期，中国科学院上海应用物理研究所能源材料与化学研究部在常温电解水催化剂的研究领域取得重要进展。科研人员成功开发了具有优异析氢活性的Ca₂CoRuO₆（CCRO）催化剂，结合多种原位表征和理论计算，深入研究了CCRO催化剂在析氢反应（HER）中的反应机理，揭示了其优异活性的根源，相关成果以“Self-Assembled Metal Cluster/Perovskite Catalyst for Efficient Acidic Hydrogen Production with an Ultra-Low Overpotential of 62 mV and over 1500 Hours of Stability at 1 A cm−2”为题，发表于能源科学顶级期刊Energy & Environmental Science (IF=30.8)。

迅速增长的能源需求以及日益严峻的环境问题促使人们对可再生能源的发展产生了极大的关注。氢能因其具有高能量密度和无碳排放等特性，被广泛认为是未来化石燃料的一种可持续替代品。由风能、太阳能等可再生能源驱动电解水制氢，被视为一种极具前景且可持续的制备清洁氢燃料的手段。此外，电化学水分解包含两个核心反应：阳极析氧反应（OER）与阴极析氢反应（HER）。铂基催化剂在酸性介质中展现出最高的内在活性，然而其在PEMWEs中的广泛应用受到稀缺性和高成本的限制。研究表明，Ru-H 的结合强度（~65 kcal mol⁻¹）与 Pt-H 的结合强度（~62 kcal mol⁻¹）相近，这表明 Ru 基材料有望用于设计高效的 HER 催化剂。此外，在过去十年间，钌的价格大约为铂价格的30%，显示出其作为替代材料的经济优势。本研究通过在钙钛矿B位引入Co元素，成功合成了CCRO 催化剂，不仅进一步降低了催化剂中贵金属的含量，而且显著增强了Co-Ru之间的协同效应，表现出优异的HER性能。

活化后的CCRO催化剂在 1 A cm−2 的高电流密度下表现出极低的过电位（62 mV）和塔菲尔斜率（10 mV dec−1）。此外，CCRO 催化剂在组装的质子交换膜电解槽（PEMWE）中，可以在 1 A cm−2 的电流密度保持超过 1500 小时的运行稳定。原位 X 射线吸收光谱（XAS）、拉曼光谱（Raman）和 X 射线衍射光谱（XRD）揭示了 CCRO 在反应过程中的两步原位转变过程。在 HER 过程下，原始 CCRO 在最初的几个小时内从 Ru5+/Co3+ 被还原为 Ru3+/Co2+。随后，催化剂逐渐发生自组装过程，在 CCRO 基底上形成钴钌金属纳米结构（Co-Ru/CCRO）。理论计算表明，Co-Ru 结构内部的协同效应以及氢溢流机制是其具有优异HER活性的根本原因。本研究提出了一种具有优异 HER 活性的新型高效催化剂，并揭示了其独特的原位重构机制。

图1 催化的反应机理示意图

论文第一作者为上海应物所博士研究生樊亚磊和物理研究所赵建发副研究员完成，通讯作者为张林娟研究员、王建强研究员和胡志伟研究员。该研究获中国科学院引才计划项目和国家自然科学基金项目资助。

全文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE01422K