科技日報訊（記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校國家同步輻射實驗室姚濤教授課題組與化學與材料科學學院楊金龍教授課題組合作，首次精確探測到釕基單原子催化劑在酸性電化學析氧反應過程中的催化活性位點的動態變化過程，並依此設計出高活性和高穩定性的酸性析氧催化劑，研究成果近日線上發表於《自然·通訊》雜誌上。
質子交換膜水電解池（PEMWE）因其轉化效率高、氫氣純度高、無污染等優點被認為是最具發展潜力的一種制氫科技。然而，陽極析氧反應由於其緩慢的動力學速率以及催化劑在酸性環境下的不穩定性，成為制約PEMWE廣泛應用的瓶頸，亟須設計高效穩定的酸性析氧電催化劑來提升PEMWE的效率。但如何在工作條件下即時監測催化劑的活性比特原子和電子的動態變化過程，成為現時催化劑理性設計的前提和挑戰。
研究團隊選取活性位點高度均一的釕基單原子催化劑作為研究對象，該催化劑在析氧反應中達到10mA/cm2的電流密度僅需267mV的過電勢。同時，利用同步輻射原位X射線吸收譜和紅外譜實驗裝置，即時監測催化劑在工作條件下結構的動態演化過程。理論計算也進一步證實了動態氧吸附可以有效地促進電子由釕原子向被吸附的氧原子傳遞，有效地避免對反應物種的强吸附，從而顯著降低反應所需的過電勢，促進了其催化活性的顯著提高。
這項發現為今後PEMWE實際應用開發新型高效穩定的催化劑提供了實驗基礎，也為原子尺度研究催化資料表面/介面的動態過程提供了理論指導。