超快电脉冲合成高活性超工业级氢气电池电催化剂

高可靠性和超长寿命使水-氢气（H2）电池成为大规模储能的理想选择，但Pt催化剂的碱性析氢和氧化反应（HER/HOR）活性较低，严重阻碍了其在H2电池中的广泛应用。基于此，中国科学技术大学陈维教授等人报道了以超快电脉冲方法，制备了一种由炭黑负载钌镍合金纳米颗粒（RuNi/C）的高活性电催化剂，用于镍-氢气（Ni-H2）电池。RuNi/C催化剂在50 mV时具有2.34 A mg−1的超高HOR质量活性，在电流密度为10 mA cm−2时具有19.5 mV的HER过电位。Ni-H2(RuNi)电池还可在-25 °C至+50 °C下高效运行，在5-50 mA cm−2的电流密度下，在1500次循环后，容量和效率衰减可以忽略不计。需注意，Ni-H2(RuNi)电池在280 mg cm-2（60 mAh cm-2）的超高正极Ni(OH)2负载和62.5 μg cm-2的低负极Ru负载下实现了高达183 Wh kg-1的电池级能量密度。

通过DFT计算，作者模拟了Ru(101)和RuNi(101)对HER/HOR的反应途径。首先研究了HER对H2O的吸附，相应的差分电荷密度填色优化构型如图所示。Ru(101)和RuNi(101)的表面边缘Ru原子被识别为H2O的吸附位点，水吸附后Ru(101)和RuNi(101)的边缘Ru原子发生了明显的电子相互作用和电子重排。化学吸附后的H2O分子被活化，H-O键长度增加，H2O的偏态密度（PDOS）发生变化。

此外，作者计算得到的自由能图，包括H2O吸附、H2O解离、氢气吸附和氢气生成，以进一步了解Ru和RuNi催化剂在碱性HER/HOR可逆性上的差异。在可逆HER/HOR过程中，自由能爬升最高的步骤被认为是速率决定步骤（RDS）。RuNi(101)将HER中*OH的解吸步骤确定为RDS，其自由能爬升为0.41 eV，这是Volmer过程的最后一步。Ru(101)在HER过程中*OH的解吸也是RDS，比RuNi(101)困难得多，其自由能爬升更高，为0.71 eV。结果表明，从热力学的角度来看，RuNi(101)可实现更好的可逆碱性HER/HOR性能。

Ultrafast Electrical Pulse Synthesis of Highly Active Electrocatalysts for Beyond-industrial-level Hydrogen Gas Batteries. Adv. Mater., 2023, DOI: ht-tps://doi.org/10.1002/adma.202300502.