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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)，嚴(yán)重限制了其內(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)的電催化劑用于不同催化反應(yīng)具有重要的意義。
基于此，中科院福建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱起龍研究員與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的徐強(qiáng)教授合作，在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，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)，而且三維有序大孔-中孔-微孔超結(jié)構(gòu)提供了有效的導(dǎo)電和傳質(zhì)通道。
基于這些獨(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時具有1.6 H2 s-1的超高TOF值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Pt/C和大多數(shù)最新報道的HER催化劑。另外，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，表現(xiàn)出較高的應(yīng)用潛力。
該工作為開發(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)催化材料提供了新的思路；同時也進(jìn)一步認(rèn)識了HER過程，為提升HER整體性能提供了實(shí)驗(yàn)與理論支持。相關(guān)工作已在線發(fā)表在德國先進(jìn)材料（Adv. Mater. 2021, 33, 2006965）上，朱起龍研究員課題組的在讀碩士生吳昱霖同學(xué)與助理研究員李曉芳博士為該論文的共同第一作者。
