高效的电催化剂在电化学转化技术中起着关键作用，通过这种技术，自然界中丰富的物质（例如H₂O和CO₂）可以有效被利用。目前，几乎所有报道的析氢反应（HER）电催化剂只能在酸性条件下有效地工作，而有效的析氧反应（OER）只能在碱性介质中很好地工作。钌基氧化物通常被认为是酸性OER的有效电催化剂。然而，它们的低稳定性和高成本严重限制了进一步的应用。近日，中国科学院大学，中科院化学研究所李玉良院士与山东大学薛玉瑞团队联合香港理工大学黄勃龙等确定了以二维石墨二炔为载体合理可控地合成Ru原子催化剂的策略。Ru原子催化剂在酸性条件下的HER和OER过程中表现出较高的活性和稳定性。这项工作为新型催化剂的设计和合成提供了新的策略，以实现高效的能量转化。

文章要点：

1）设计石墨二炔负载的钌原子催化剂（Ru/GDY）用于在酸性介质中进行有效的电催化水分解。Ru 原子催化剂（ACs）是通过一种简便有效的原位还原策略合成的，该策略能够将单个Ru原子负载在3D碳纤维网络上生长的石墨二炔（GDY）上，形成自支撑的3D柔性Ru ACs。Ru原子的负载量可以达到1.0 wt％。

2）研究了Ru/GDY的电化学水分解性能，电化学测量在H₂饱和的0.5 M H ₂SO₄溶液中以2 mV s^-1的低扫描速率进行。在所有样品中，Ru/GDY表现出最佳的HER活性，在10 mA cm^-2时的过电势为44 mV，反应速率最快，塔菲尔斜率最小，为30 mV dec^-1。质量活性极化曲线进一步证实了Ru/GDY的优异催化活性，通过催化转换频率（TOF）和比电流密度（js）进一步评估了样品的固有催化活性。长期稳定性是催化剂实际应用中的另一个关键参数。Ru/GDY在3000循环伏安法（CV）循环测试后未显示电流密度降低。在48小时连续电解过程中，Ru/GDY维持HER活性，电位变化可忽略不计。此外，ICP-MS分析表明，Ru原子的载量几乎没有降低（0.96％）。这种优异的稳定性可以归因于GDY骨架的坚固性以及各个Ru原子与GDY之间的强相互作用。

3）研究了Ru/GDY在O₂饱和的0.5 M H₂SO4溶液中的酸性OER性能。在所有样品中，Ru/GDY具有最佳的OER活性，最低的过电势为531mV，达到10mA cm^-2。这些值甚至比以前报道的酸性条件下的本体OER电催化剂还要小。此外，在54小时内进行了补充计时电流测试，证实了Ru/GDY在酸性介质中的OER过程中具有出色的稳定性。进行循环测试后，对Ru/GDY样品进行SEM，TEM和XPS表征，发现稳定性测试后，样品的形态和化学状态几乎没有变化。ICP-MS分析表明，Ru原子的负载量（0.92％）与新制备的原子相似。这些结果证明了Ru/GDY在酸性OER中的稳定性。考虑到Ru/GDY在酸性介质中对HER和OER的高性能，使用Ru/GDY作为阳极和阴极在酸性介质中进行整体水分解（OWS）的两电极水电解槽。电极仅需要电池电压的1.81V来输送10mA cm^-2，从而确认其优异的电催化活性。

4）密度泛函理论（DFT）计算表明强PdRu原子与相邻C原子之间的耦合生成一个固有的电子补偿储层，以保持Ru异常高的氧化。这种相关性使得Ru成为具有动态自我修改功能的快速可逆氧化还原开关的独特电子介导（EMV）。这些独特的性能使Ru/GDY的活性中心数，电导率和催化剂寿命大大提高，从而提高了催化剂的催化性能。

总的来说，这项开创性的工作不仅为原子催化剂的开发提供了新的机会，而且还从电化学策略出发对多种能量转化进行尝试。

Huidi Yu,et al., 2D graphdiyne loading ruthenium atoms for high efficiency water splitting, Nano Energy, 2020,

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104667

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552030224X