氢能作为一种洁净能源，是能源领域未来重要的发展方向之一。与质子交换膜电解槽和燃料电池相比，氢氧根交换膜电解槽（HEMELs）和氢氧根交换膜燃料电池（HEMFCs）工作条件腐蚀性较小，可以使用低成本的非铂电催化剂，在氢能经济中具有很大的发展潜力。然而，碱性条件下的析氢反应（HER）和氢氧化反应（HOR）动力学比酸性环境中低两个数量级左右，这给HEMELs和HEMFCs的发展带来了巨大的挑战。因此，发展高活性的碱性HER和HOR催化剂对推动HEMELs和HEMFCs的发展具有重要意义。
浙江大学孙文平研究员和潘洪革教授团队报道了一种由结晶Ru团簇和无定形CrOx团簇组成的簇-簇异质结构催化剂，大幅提升了碱性氢电催化性能（如图1所示）。所制备的催化剂在碱性介质中对氢氧化反应（交换电流密度为2.8 A mg-1Ru）和析氢反应(过电位为100 mV时，质量活性为23.0 A mg-1Ru)均表现出优异的催化性能。采用该材料为阳极催化剂制备的HEMFCs氢氧化物交换膜燃料电池在0.65 V下的质量活性达到22.4 A mg-1Ru，并且在500 mA cm-2的电流密度下运行105 h没有电压损失。研究发现，Ru团簇和CrOx团簇界面的强耦合作用使得界面电荷重新分配，同时优化了反应中间体在每个团簇上的吸附行为，从而显著提升了碱性HER和HOR决速步的反应速率。
为了进一步研究CrOx团簇和Ru团簇之间的相互作用机制，研究人员利用合肥光源光电子能谱站（BL10B）的软X射线谱学表征方法探究了材料的微观电子结构信息。通过分析Cr L-edge和O K-edge的谱图，研究人员发现了Cr和O原子上的高电子密度态以及CrOx团簇的高度非晶态的特征（如图2所示）。相关结果证明，在团簇的耦合界面处中，存在着显著的从Ru团簇到CrOx团簇的电子转移，并且证明CrOx团簇的局域结构是无序的。研究人员还利用X射线光电子能谱（XPS）测量了Cr 2p、O 1s和Ru 3p峰的偏移，进一步验证了电子的转移路径。这一研究进展对开发宽界面、高性能的团簇尺寸异质结能源催化剂材料具有重要意义。相关研究成果以“A strongly coupled Ru–CrOx cluster–cluster heterostructure for efficient alkaline hydrogen electrocatalysis”为题发表在《Nature Catalysis》上。
图1：（a）普通负载催化剂（b）团簇-团簇异质结构催化剂的示意图
图2：（a）Cr L-edge（b）O K-edge的软X射线吸收谱
