通讯作者郑亚荣、张传玲通讯单位合肥工业大学DOIhttps://doi.org/10.1021/acsaem.6c00828核心导读本研究采用超快焦耳热1秒内完成策略将铂单原子原位锚定于钌纳米颗粒表面制备出Pt:Ru≈1:19的超低铂负载催化剂Pt₁Ru₁₉/CPt仅1.6 wt%。所得催化剂在碱性析氢反应HER中仅需28 mV过电位即可达到10 mA cm⁻²整合至阴离子交换膜水电解AEMWE器件后在Pt负载仅0.021 mg cm⁻²的条件下实现1 A cm⁻² 1.63 V并在60°C下连续稳定运行2600 h为工业级低铂AEMWE阴极提供了可规模化的制备范式。一、背景与问题氢能被视为可再生电力利用的关键媒介阴离子交换膜水电解AEMWE因兼具质子交换膜电解槽的高电流密度与碱性体系低成本催化剂的双重优势受到广泛关注。尽管Ni、Mo基非贵金属催化剂已被广泛研究但其在启停条件下活性不足且快速失活难以实际部署导致碳载铂Pt/C阴极在商业AEMWE系统中仍不可替代。然而碱性介质中Pt的HER动力学比酸性条件慢逾两个数量级同时Pt价格高昂促使学界急需在维持高活性和长期稳定性的前提下大幅降低Pt用量。将Pt下调至亚纳米簇乃至单原子级别、并通过合金化或缺陷工程调控其电子结构是提升Pt利用率的主流策略。以钌Ru作为第二组分不仅可有效促进水分子解离还能通过Ru→Pt的电子转移优化Pt的d带中心进而改善碱性HER中的氢吸附强度。然而实现原子级分散Pt且与Ru形成精确协同需要快速、可控的合成方法来抑制金属聚集——焦耳热超快合成正因能在秒级时间尺度内完成热激活并淬火成为实现该目标的理想工具。二、论文概要本研究中合肥工业大学郑亚荣/张传玲团队以焦耳热1秒内完成加热与淬冷为核心手段将铂单原子均匀锚定于碳载钌纳米颗粒Pt:Ru原子比约1:19Pt负载仅1.6 wt%制备出Pt₁Ru₁₉/C原子协同催化剂。XPS与X射线吸收谱XAS证实Ru→Pt电子转移使Pt d带中心下移优化了氢吸附能FT-EXAFS确认Pt以单原子形式与邻近Ru配位Pt-Ru键距2.45 Å无Pt-Pt键排除了Pt团簇的存在。在碱性HER测试中Pt₁Ru₁₉/C仅需28 mV过电位即可驱动10 mA cm⁻²Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹价格活性是商业PtRu/C的1.26倍、Ru/C的10.56倍电极Pt负载仅0.81 μg cm⁻²。集成至AEMWE器件后在Pt面积负载0.021 mg cm⁻²下实现1 A cm⁻² 1.63 V80°C1 M KOH并在60°C下稳定运行2600 h电压衰减率仅56.19 μV h⁻¹催化剂形貌与电子态在耐久测试后均保持完好。核心亮点焦耳热1秒极速合成 · Pt单原子分散无Pt-Pt键· Pt负载仅0.021 mg cm⁻² · AEMWE 2600 h稳定运行 · 价格活性优于商业PtRu/C指标Pt₁Ru₁₉/C本工作商业Pt/C对照HER过电位 10 mA cm⁻²28 mV更高Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹—AEMWE电压 1 A cm⁻²1.63 VPt: 0.021 mg cm⁻²1.68 VPt: 0.23 mg cm⁻²AEMWE稳定性2600 h 1 A cm⁻², 60°C—电压衰减率56.19 μV h⁻¹—价格活性80 mV商业PtRu/C的1.26×Ru/C的10.56×基准表1Pt₁Ru₁₉/C催化剂关键性能汇总三、图文解读图1焦耳热合成示意与催化剂结构表征图1以合成示意图、时间-温度曲线、XRD图谱及HAADF-STEM像共同呈现了Pt₁Ru₁₉/C的制备与结构特征焦耳热过程在1秒内完成高温激活并迅速冷却至室温已可实现克级规模制备图示样品质量1.1672 gXRD仅显示六方相Ruh-Ru的特征峰无独立Pt衍射峰且峰位相对纯Ru出现负向偏移表明Pt并入Ru晶格引起晶格膨胀原子分辨HAADF-STEM图像清晰展示Pt单原子均匀分散于约3.78 nm的Ru纳米颗粒晶格内EDS面扫描进一步确认Pt与Ru在碳载体上的均匀共分布充分验证了焦耳热超快淬冷对抑制Pt团聚的关键作用。图2电子结构与局域配位环境表征图2通过XPS、XANES及FT/WT-EXAFS系统揭示了Pt的电子态和配位环境XPS谱中Pt 4f结合能较金属Pt负移0.32 eVRu 3p则正移0.95 eV两者反向偏移直接证明Ru向Pt的电子转移导致Pt d带中心下移有利于优化氢吸附XANES白线位置介于Pt⁰与Pt⁴⁺之间说明Pt处于部分氧化的中间价态FT-EXAFS在2.45 Å处仅出现Pt-Ru配位峰无Pt-Pt散射峰WT-EXAFS同步确认Pt以单原子形式与Ru邻位配位从原子尺度排除了Pt团簇或纳米颗粒的存在奠定了单原子Pt-Ru协同催化的结构基础。图3碱性HER性能与活性位点机制研究图3全面呈现了Pt₁Ru₁₉/C的碱性HER催化性能与机理在1 M KOH中Pt₁Ru₁₉/C以28 mV过电位达到10 mA cm⁻²Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹以Pt质量归一化的质量活性和价格活性均大幅超越商业Pt/C与PtRu/CDMSO毒化实验DMSO选择性吸附Pt位点显示Pt₁Ru₁₉/C与Pt/C、PtRu/C均因此显著失活而Ru/C几乎不受影响证实表面Pt位点为主导HER活性中心CV与CO剥离曲线进一步显示Pt₁Ru₁₉/C的H欠电位沉积峰和CO氧化峰均向负电位偏移表明Pt-Ru协同作用削弱了H吸附、加速了H₂脱附从而在碱性HER动力学上实现了全面提升。图4AEMWE器件性能与长期稳定性图4以器件结构示意图、极化曲线、性能对比散点图及长时间计时电位曲线全面评估了AEMWE实际应用性能以Pt₁Ru₁₉/C₀.₅为阴极、NiFe-LDH为阳极、PAW-1−40为膜组装的单池在Pt面积负载仅0.021 mg cm⁻²的条件下于80°C达到1 A cm⁻² 1.63 V而使用约高出一个数量级Pt负载0.23 mg cm⁻²的商业Pt/C阴极需要1.68 V才能达到相同电流密度与已报道AEMWE阴极的综合性能对比进一步凸显了Pt₁Ru₁₉/C在低铂负载与低槽压的双重优势长期稳定性测试显示AEMWE在60°C、1 A cm⁻²下连续运行2600 h电压衰减率仅56.19 μV h⁻¹耐久测试后催化剂形貌、电子态与组成均保持完好充分展示了工业级应用潜力。四、总结与展望本工作以焦耳热超快合成为核心方法实现了铂单原子在钌纳米颗粒上的精准锚定构建了非平衡Pt-Ru原子协同体系在将Pt用量压缩至极低水平电极负载仅0.021 mg cm⁻²的前提下同步达到高碱性HER活性与工业级AEMWE稳定性为贵金属高效利用提供了颇具普适性的设计范式未来研究可进一步拓展焦耳热合成参数空间脉冲频率、峰值温度、冷却速率实现对单原子局域配位环境的精准调控并将此策略向多元合金单原子催化剂延伸同步探索规模化膜电极集成制造工艺有望在绿氢电解产业中推动低铂阴极的大规模商业化应用。原文Renying Wang et al. Ultralow-Platinum Cathode Enables High-Performance Anion Exchange Membrane Water Electrolysis.ACS Applied Energy Materials, 2026. DOI: 10.1021/acsaem.6c00828. 合肥工业大学ACS AEM：焦耳热1秒合成Pt₁Ru₁₉单原子催化剂！ 极低Pt负载0.021 mg cm⁻²，AEMWE稳定2600 h！
通讯作者郑亚荣、张传玲通讯单位合肥工业大学DOIhttps://doi.org/10.1021/acsaem.6c00828核心导读本研究采用超快焦耳热1秒内完成策略将铂单原子原位锚定于钌纳米颗粒表面制备出Pt:Ru≈1:19的超低铂负载催化剂Pt₁Ru₁₉/CPt仅1.6 wt%。所得催化剂在碱性析氢反应HER中仅需28 mV过电位即可达到10 mA cm⁻²整合至阴离子交换膜水电解AEMWE器件后在Pt负载仅0.021 mg cm⁻²的条件下实现1 A cm⁻² 1.63 V并在60°C下连续稳定运行2600 h为工业级低铂AEMWE阴极提供了可规模化的制备范式。一、背景与问题氢能被视为可再生电力利用的关键媒介阴离子交换膜水电解AEMWE因兼具质子交换膜电解槽的高电流密度与碱性体系低成本催化剂的双重优势受到广泛关注。尽管Ni、Mo基非贵金属催化剂已被广泛研究但其在启停条件下活性不足且快速失活难以实际部署导致碳载铂Pt/C阴极在商业AEMWE系统中仍不可替代。然而碱性介质中Pt的HER动力学比酸性条件慢逾两个数量级同时Pt价格高昂促使学界急需在维持高活性和长期稳定性的前提下大幅降低Pt用量。将Pt下调至亚纳米簇乃至单原子级别、并通过合金化或缺陷工程调控其电子结构是提升Pt利用率的主流策略。以钌Ru作为第二组分不仅可有效促进水分子解离还能通过Ru→Pt的电子转移优化Pt的d带中心进而改善碱性HER中的氢吸附强度。然而实现原子级分散Pt且与Ru形成精确协同需要快速、可控的合成方法来抑制金属聚集——焦耳热超快合成正因能在秒级时间尺度内完成热激活并淬火成为实现该目标的理想工具。二、论文概要本研究中合肥工业大学郑亚荣/张传玲团队以焦耳热1秒内完成加热与淬冷为核心手段将铂单原子均匀锚定于碳载钌纳米颗粒Pt:Ru原子比约1:19Pt负载仅1.6 wt%制备出Pt₁Ru₁₉/C原子协同催化剂。XPS与X射线吸收谱XAS证实Ru→Pt电子转移使Pt d带中心下移优化了氢吸附能FT-EXAFS确认Pt以单原子形式与邻近Ru配位Pt-Ru键距2.45 Å无Pt-Pt键排除了Pt团簇的存在。在碱性HER测试中Pt₁Ru₁₉/C仅需28 mV过电位即可驱动10 mA cm⁻²Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹价格活性是商业PtRu/C的1.26倍、Ru/C的10.56倍电极Pt负载仅0.81 μg cm⁻²。集成至AEMWE器件后在Pt面积负载0.021 mg cm⁻²下实现1 A cm⁻² 1.63 V80°C1 M KOH并在60°C下稳定运行2600 h电压衰减率仅56.19 μV h⁻¹催化剂形貌与电子态在耐久测试后均保持完好。核心亮点焦耳热1秒极速合成 · Pt单原子分散无Pt-Pt键· Pt负载仅0.021 mg cm⁻² · AEMWE 2600 h稳定运行 · 价格活性优于商业PtRu/C指标Pt₁Ru₁₉/C本工作商业Pt/C对照HER过电位 10 mA cm⁻²28 mV更高Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹—AEMWE电压 1 A cm⁻²1.63 VPt: 0.021 mg cm⁻²1.68 VPt: 0.23 mg cm⁻²AEMWE稳定性2600 h 1 A cm⁻², 60°C—电压衰减率56.19 μV h⁻¹—价格活性80 mV商业PtRu/C的1.26×Ru/C的10.56×基准表1Pt₁Ru₁₉/C催化剂关键性能汇总三、图文解读图1焦耳热合成示意与催化剂结构表征图1以合成示意图、时间-温度曲线、XRD图谱及HAADF-STEM像共同呈现了Pt₁Ru₁₉/C的制备与结构特征焦耳热过程在1秒内完成高温激活并迅速冷却至室温已可实现克级规模制备图示样品质量1.1672 gXRD仅显示六方相Ruh-Ru的特征峰无独立Pt衍射峰且峰位相对纯Ru出现负向偏移表明Pt并入Ru晶格引起晶格膨胀原子分辨HAADF-STEM图像清晰展示Pt单原子均匀分散于约3.78 nm的Ru纳米颗粒晶格内EDS面扫描进一步确认Pt与Ru在碳载体上的均匀共分布充分验证了焦耳热超快淬冷对抑制Pt团聚的关键作用。图2电子结构与局域配位环境表征图2通过XPS、XANES及FT/WT-EXAFS系统揭示了Pt的电子态和配位环境XPS谱中Pt 4f结合能较金属Pt负移0.32 eVRu 3p则正移0.95 eV两者反向偏移直接证明Ru向Pt的电子转移导致Pt d带中心下移有利于优化氢吸附XANES白线位置介于Pt⁰与Pt⁴⁺之间说明Pt处于部分氧化的中间价态FT-EXAFS在2.45 Å处仅出现Pt-Ru配位峰无Pt-Pt散射峰WT-EXAFS同步确认Pt以单原子形式与Ru邻位配位从原子尺度排除了Pt团簇或纳米颗粒的存在奠定了单原子Pt-Ru协同催化的结构基础。图3碱性HER性能与活性位点机制研究图3全面呈现了Pt₁Ru₁₉/C的碱性HER催化性能与机理在1 M KOH中Pt₁Ru₁₉/C以28 mV过电位达到10 mA cm⁻²Tafel斜率34.45 mV dec⁻¹以Pt质量归一化的质量活性和价格活性均大幅超越商业Pt/C与PtRu/CDMSO毒化实验DMSO选择性吸附Pt位点显示Pt₁Ru₁₉/C与Pt/C、PtRu/C均因此显著失活而Ru/C几乎不受影响证实表面Pt位点为主导HER活性中心CV与CO剥离曲线进一步显示Pt₁Ru₁₉/C的H欠电位沉积峰和CO氧化峰均向负电位偏移表明Pt-Ru协同作用削弱了H吸附、加速了H₂脱附从而在碱性HER动力学上实现了全面提升。图4AEMWE器件性能与长期稳定性图4以器件结构示意图、极化曲线、性能对比散点图及长时间计时电位曲线全面评估了AEMWE实际应用性能以Pt₁Ru₁₉/C₀.₅为阴极、NiFe-LDH为阳极、PAW-1−40为膜组装的单池在Pt面积负载仅0.021 mg cm⁻²的条件下于80°C达到1 A cm⁻² 1.63 V而使用约高出一个数量级Pt负载0.23 mg cm⁻²的商业Pt/C阴极需要1.68 V才能达到相同电流密度与已报道AEMWE阴极的综合性能对比进一步凸显了Pt₁Ru₁₉/C在低铂负载与低槽压的双重优势长期稳定性测试显示AEMWE在60°C、1 A cm⁻²下连续运行2600 h电压衰减率仅56.19 μV h⁻¹耐久测试后催化剂形貌、电子态与组成均保持完好充分展示了工业级应用潜力。四、总结与展望本工作以焦耳热超快合成为核心方法实现了铂单原子在钌纳米颗粒上的精准锚定构建了非平衡Pt-Ru原子协同体系在将Pt用量压缩至极低水平电极负载仅0.021 mg cm⁻²的前提下同步达到高碱性HER活性与工业级AEMWE稳定性为贵金属高效利用提供了颇具普适性的设计范式未来研究可进一步拓展焦耳热合成参数空间脉冲频率、峰值温度、冷却速率实现对单原子局域配位环境的精准调控并将此策略向多元合金单原子催化剂延伸同步探索规模化膜电极集成制造工艺有望在绿氢电解产业中推动低铂阴极的大规模商业化应用。原文Renying Wang et al. Ultralow-Platinum Cathode Enables High-Performance Anion Exchange Membrane Water Electrolysis.ACS Applied Energy Materials, 2026. DOI: 10.1021/acsaem.6c00828.