超低载流子浓度的RuW纳米团簇与W单原子结合，用于高效阴离子交换膜燃料电池

《Energy & Environmental Science》：Ultra-low-loading RuW nanoclusters coupled with W single atoms for efficient anion exchange membrane fuel cells

　　双钨嵌入纳米催化剂RuW/W–NC通过钨对Ru纳米簇的激活与稳定作用，显著提升碱性氢氧化反应活性与稳定性，在0.1 mg cm?2 Ru负载量下实现2.03 W cm?2峰值功率密度，总铂族金属负载量0.125 mg cm?2达DOE 2025目标，并保持1 A cm?2电流密度下100小时稳定运行。机理研究表明钨嵌入与Ru-W配位有效调控了活性位点吸附平衡，抑制了纳米簇聚集。

　　

具有成本效益的Ru催化剂在碱性条件下展现出解决氢氧化反应（HOR）动力学缓慢问题的潜力，成为铂（Pt）和Pt-Ru催化剂的有吸引力的替代品。然而，开发出同时具备高活性和稳定性的Ru基催化剂以应用于实际的非对称膜燃料电池（AEMFC）仍是一个重大挑战，尤其是在使用低铂族金属（PGM）负载量的情况下。在这里，我们提出了一种多功能的双钨（W）嵌入纳米催化剂，该催化剂将分散的Ru-W纳米簇与W单原子结合在氮掺杂碳（NC）基底上（RuW/W-NC）。具体而言，W既作为Ru纳米簇的活化剂，又作为Ru纳米簇与NC基底之间的稳定剂，从而提高了催化剂的活性和耐用性。重要的是，基于RuW/W-NC的燃料电池在Ru负载量仅为0.1 mg cm^-2的情况下，实现了2.03 W cm^-2的卓越峰值功率密度，在H2-O2体系中超越了现有的最先进Ru基HOR催化剂和商用Pt-Ru/C催化剂。值得注意的是，该AEMFC在H2-空气条件下，于0.65 V电压下可输出0.91 W cm^-2的额定功率密度，接近美国能源部（DOE）2025年的目标（1 W cm^-2），且总PGM负载量为0.125 mg cm^-2。此外，基于RuW/W-NC的燃料电池能够在1 A cm^-2的工业电流密度下稳定运行超过100小时。详细的机理研究和理论分析表明，RuW/W-NC的优异性能源于W在Ru纳米簇中的嵌入以及Ru-W界面配位的形成，这有效地平衡了*OH和*H的吸附/脱附过程，并抑制了纳米簇的聚集。这些突破性的成果为Ru基催化剂的发展提供了新的方向，使RuW/W-NC成为最具成本效益的实用AEMFC催化剂。