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氫能因具有高能量密度和無碳排放等特性，被認為是化石燃料的可持續(xù)替代品。由風能、太陽能等可再生能源驅動電解水制氫，被學界視為具有前景且可持續(xù)制備清潔氫燃料的方法。電化學水分解包含陽極析氧反應（OER）與陰極析氫反應（HER）兩個核心反應。其中，鉑基催化劑在酸性介質中展現出最高的內在活性，但其在質子交換膜電解槽中的廣泛應用受到稀缺性和高成本的限制。

近期，中國科學院上海應用物理研究所在常溫電解水催化劑研究領域取得進展。研究人員開發(fā)了具有優(yōu)異析氫活性的Ca?CoRuO?（CCRO）催化劑，并結合多種原位表征和理論計算，探討了該催化劑在析氫反應中的反應機理，揭示了其優(yōu)異活性的根源。

研究發(fā)現，Ru-H結合強度與Pt-H結合強度相近，這表明 Ru基材料有望應用于設計高效的HER催化劑。在過去十年間，釕的價格大約為鉑價格的30%，顯示出其作為替代材料的經濟優(yōu)勢。研究人員通過在鈣鈦礦B位引入Co元素，合成出CCRO催化劑，降低了催化劑中貴金屬含量，并顯著增強了Co-Ru之間的協(xié)同效應，表現出優(yōu)異的HER性能。

同時，活化后的CCRO催化劑在1?A cm^?2的高電流密度下表現出較低的過電位和塔菲爾斜率，且CCRO催化劑在組裝的質子交換膜電解槽中，可在 1 A cm^?2 的電流密度下保持超1500小時穩(wěn)定運行。進一步，原位 X 射線吸收光譜、拉曼光譜及 X 射線衍射光譜揭示了CCRO在反應過程中兩步原位轉變過程，即在HER過程下，原始CCRO在最初幾個小時內從Ru⁵⁺/Co³⁺被還原為Ru³⁺/Co²⁺。隨后，催化劑逐漸發(fā)生自組裝過程，在CCRO基底上形成鈷釕金屬納米結構（Co-Ru/CCRO）。理論計算表明，Co-Ru結構內部的協(xié)同效應與氫溢流機制是其具有優(yōu)異HER活性的根本原因。

這一研究提出了具有優(yōu)異HER活性的新型高效催化劑，并揭示了其獨特的原位重構機制。

相關研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。

催化的反應機理示意圖