由金屬結(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體嚴(yán)格組裝形成的金屬-有機(jī)骨架（MOFs）材料已被證明是制備各種納米催化劑的理想前驅(qū)體，然而，MOFs自模板法衍生的碳骨架普遍繼承了前驅(qū)體的微孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，限制了其內(nèi)部金屬活性位點(diǎn)的可利用性，并阻礙了催化過程中的傳質(zhì)作用。因此，開發(fā)具有高分散高活性金屬位點(diǎn)和等級孔結(jié)構(gòu)的電催化劑并用于不同催化反應(yīng)具有重要意義。

基于此，中國科學(xué)院福建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員朱起龍與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所教授徐強(qiáng)合作，在國家自然科學(xué)基金等的資助下，首先利用雙溶劑誘導(dǎo)非均相成核法獲得了高分散Ru(III)離子修飾的有序大孔ZIF-8單晶（Ru(III)/MSC-ZIF-8），并以此為前驅(qū)體進(jìn)一步高溫?zé)峤獾玫搅司哂杏行虻燃壙壮Y(jié)構(gòu)的Ru/N摻雜納米多孔碳（Ru/OMSNNC）微-納反應(yīng)器。平均粒徑僅為1.8 nm的Ru團(tuán)簇均勻地錨定在高度有序的超結(jié)構(gòu)碳壁上，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)并暴露出豐富的活性位點(diǎn)，并且三維有序大孔-中孔-微孔超結(jié)構(gòu)提供了有效的導(dǎo)電和傳質(zhì)通道?；谶@些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，Ru/OMSNNC微-納反應(yīng)器在不同pH電解液中均展示出超高的析氫反應(yīng)（HER）性能，其質(zhì)量活性比商業(yè)Pt/C高出一個(gè)數(shù)量級。尤其是，此微-納反應(yīng)器在1 M KOH電解液中的HER過電勢僅為13 mV@10 mA cm-2，Tafel斜率低至40.41 mV dec-1，在25 mV時(shí)具有1.6 H2 s-1的超高TOF值，遠(yuǎn)優(yōu)于Pt/C和大多數(shù)新近報(bào)道的HER催化劑。在實(shí)際的全水解體系中，Ru/OMSNNC可以與其衍生的OMS-RuO2陽極組裝成雙電極全解池，在相同的槽壓下，Ru/OMSNNC的產(chǎn)氫速率遠(yuǎn)高于Pt/C。此外，該系統(tǒng)還可以直接耦合商用的太陽能光伏電池，應(yīng)用潛力較大。

該研究為開發(fā)可用于未來能源領(lǐng)域的高性能HER催化劑以及其它先進(jìn)催化材料提供了新思路，并深化了對HER過程的認(rèn)識，為提升HER整體性能提供了實(shí)驗(yàn)與理論支持。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Advanced Materials上，朱起龍課題組在讀碩士生吳昱霖與助理研究員李曉芳為論文共同第一作者。

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有序等級孔超結(jié)構(gòu)微-納反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖及其電催化制氫應(yīng)用