近期，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室柳清菊教授团队围绕工业级电流密度下电解水制氢催化剂开展了系列研究，相关研究成果发表在Advanced Energy Materials（IF = 24.4）、ACS Nano（IF = 15.8）、Chemical Engineering Journal（IF=13.3）等期刊上，具体如下：
1.通过电解水制氢技术生产高纯度氢气是实现清洁能源转换和储存的重要途径。由过渡金属离子和有机配体组成的金属-有机框架（MOFs）因具有孔隙率高、比表面积大、孔径可调和结构多样等优点在电催化领域受到了重点关注，但是MOFs的低电导率和本征活性差使其在析氢反应（HER）中表现出较高的过电位和较差的稳定性，不利于推广应用。团队提出将钌单原子（Ru SAs）和超细钌纳米颗粒（Ru NPs）负载在NiFe-MOF上，合成了NiFeRuSA+NP-DOBDC催化剂。得益于Ru与NiFe-MOF之间的强相互作用，NiFeRuSA+NP-DOBDC在10和1000 mA cm-2电流密度下的过电位仅为25和271 mV，同时，在1000 mA cm-2的大电流密度下可以稳定运行300 h。该催化剂所能达到的最大电流密度和长时间稳定性远优于国内外所报道的MOFs基析氢催化剂。同时，Ru NPs和Ru SAs的协同作用可以优化水裂解和氢的吸附/脱附动力学。该项工作提出的MOFs基催化剂设计改性策略对高性能大电流密度电解水催化剂的开发和微观催化机理研究提供了新的思路。
研究成果“Engineering Ruthenium Species on Metal-organic Frameworks for Water Electrolysis at Industrial Current Densities”发表于Advanced Energy Materials（DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.20240471），云南大学为第一完成单位，云南大学材料与能源学院/西南联合研究生院博士生李德全为论文第一作者，柳清菊教授、陈明鹏讲师为共同通讯作者。
2.团队采用简单的溶剂热法在泡沫镍（NF）上设计并构建了Mn掺杂Ni-MOF的自支撑纳米片结构（NiMn-MOF），然后将微量贵金属Pt纳米晶与NiMn-MOF耦合，从而构筑PtNC/NiMn-MOF异质结构电催化剂，两种纳米片阵列均具有较大的电化学活性比表面积（ECSA）、丰富的缺陷和超疏水/疏气表面，使所制备催化剂在碱性HER和整体尿素电解过程的传质过程加快；Mn掺杂和Pt纳米晶体的沉积调节了催化剂的d带中心，改变了催化剂的内部电子结构，优化了反应物和中间体的吸附/解吸，显著提升了HER和UOR的催化性能。其中，PtNC/NiMn-MOF在碱性HER过程中仅需要11和129 mV过电位就可以实现10和1000 mA cm-2的电流密度，且能在200 mA cm-2稳定工作超过400小时。此外，分别以NiMn-MOF和PtNC/NiMn-MOF作为阳极和阴极组装双电极尿素电解槽仅需1.358、1.526和1.710 V的电池电压即可实现100、500和1000 mA cm-2的电流密度，与传统的电解水制氢技术相比，分别节省了292、393和431 mV的过电位。同时证实了NiMn-MOF和PtNC/NiMn-MOF电极在富尿素废水污染物降解方面应用潜力巨大。该研究为富尿素废水处理和工业电流密度节能制氢催化剂的设计提供了新的见解。
研究成果“Manipulating Trimetal Catalytic Activities for Efficient Urea Electrooxidation-Coupled Hydrogen Production at Ampere-Level Current Densities（DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14406）”发表在ACS Nano上。云南大学为第一完成单位，云南大学材料与能源学院的孙华传讲师和西南联合研究生院的博士生罗忠格为论文共同第一作者，柳清菊教授、孙华传讲师为共同通讯作者。
3.团队通过实验和理论模拟证明，Ru单原子改性的Ni(OH)2与FeOOH团簇之间的界面协同作用提高了电荷转移能力，优化了反应中间体在碱性HER过程中的吸附自由能，其不仅加速了水的解离，还优化了H吸附，从而获得了优异的HER和OER催化性能。在HER和OER过程中，RuSAs/Ni(OH)2@FeOOH（RNF）分别仅需要267和386 mV的过电位就能实现1000 mA cm-2的电流密度，明显优于商用Pt/C和RuO2等电催化剂。此外，将RuSAs/Ni(OH)2@FeOOH电催化剂分别作为阳极和阴极电极组装成双电极全电解水系统，只需要1.88 V的驱动电压就可以达到1000 mA cm-2，并且具有良好的稳定性。本研究为工业级电流密度下制备性能优异的双功能电催化剂提供了参考。
研究成果“Ru single-atom regulated Ni(OH)2 nanowires coupled with FeOOH to achieve highly efficient overall water splitting at industrial current density发表在Chemical Engineering Journal (DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147500)”期刊上，云南大学为第一完成单位，云南大学材料与能源学院博士生王博学为论文第一作者，柳清菊教授、孙华传讲师为共同通讯作者。
上述研究得到了国家重点研发计划、云南省重大科技专项、国家自然科学基金面上项目、云岭学者专项计划、云南省兴滇英才项目、云南大学“双一流”建设等项目的支持，以及云南省微纳材料与技术重点实验室、云南大学电镜中心、云南大学先进计算中心、云南大学现代分析测试中心等研究平台的支持。
来源：材料与能源学院
编辑：张懿淼 责任编辑：李哲
