H₂/O₂燃料电池环境友好，不会释放污染物分子，复合可持续利用的要求。作为氢气能源经济的重要组成部分，是解决全球能源危机的重要方案。由于发现非铂金属（NPG, non-Pt group）电极在碱性环境中对氧还原反应具有高活性，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC, anion exchange membrane fuel cells）有希望被更广泛的应用。同时非铂金属由于价格优势和稳定性，提升了AEMFC的实际应用前景。但是，碱性环境中Pt电极上的氧化反应速率低于阳极环境。康奈尔大学的Héctor D. Abruña之前合成了Pt和Ir基金属和Ru，Rh，Pd组成的合金能够显著提高碱性环境催化活性。有研究者报道了无铂基合金材料（NiMoCo，NiMo，Raney Ni等），但是这些材料的催化活性明显低于铂基金属材料的催化活性。

康奈尔大学的Héctor D. Abruña等报道了浸渍方法合成一系列RuCo/C，RuNi/C，RuFe/C合金纳米粒子，并对这些合金纳米粒子电化学活性进行测试。作者通过燃料电池测试发现，Ru和Co，Ni，Fe组成的合金化合物能显著提高碱性气氛中的氢气氧化反应，产氢反应，氧还原反应，产氧反应，并且这些新型合金催化剂的催化活性甚至比纯Pt催化剂的活性更高。在这些合金催化剂中，Ru_0.95Co_0.05/C的催化活性最高。通过密度泛函理论方法对Ru合金的催化活性提升进行了模拟。

本文要点：

（1）合成方法。

         将Vulcan XC-72R和金属氯化物、硝酸盐混合，并通过相似生成气还原进行热分解，得到相对应的合金催化剂。进而得到了Vulcan XC-72R负载的Ru_1-xCo_x (Ru_1-xCo_x/C), Ru_1-xNi_x (Ru_1-xNi_x/C), Ru_1-xFe_x (Ru_1-xFe_x/C) (0.05< x <0.5), Pt_0.1Ru_0.9 (Pt_0.1Ru_0.9/C)，Ir_0.1Ru_0.9 (Ir_0.1Ru_0.9/C)。并通过控制还原和煅烧温度控制催化剂的粒径。

（2）测试与表征。

         通过XRD对合金材料的晶体结构和晶格参数进行表征，发现掺杂作用影响了晶格参数，峰出现了明显偏移，说明金属离子掺杂到金属的晶格中。通过TEM透射电镜对纳米材料的粒径和晶体形貌进行表征，通过EDX谱对元素含量进行表征。通过HADDF-STEM技术和EELS技术对材料的结构进行进一步表征，验证了材料在原子级别上均匀分布。

（3）密度泛函理论研究。

         电化学方法测试了材料的电化学性能，分析了催化活性提升的理论原因，特别通过d带理论（d-band theory）进行分析。掺杂后，材料的d带中心能量降低，这是因为电子作用导致的，电子从掺杂原子传递到主体金属中（由于其不同的功函值）；通过掺杂作用，材料的晶格参数降低，H结合能降低。

参考文献

Hongsen Wang; Yao Yang; Francis J. DiSalvo; Héctor D. Abruña*

Multi-functional Electrocatalysts: Ru-M (M=Co, Ni, Fe) for Alkaline Fuel Cells and Electrolyzers

ACS Catal. 2020, DOI: 10.1021/acscatal.9b05621

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.9b05621