博士一作！北大郭少军团队，新发第4篇Nature Synthesis！

摘要：2024年12月3日，北京大学郭少军教授和吕帆博士在国际顶级期刊Nature Synthesis发表题为《Synthesis of isolated Ru-O3 sites on hexagonal close-packed intermetallic pen

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原子薄的二维（2D）合金对于电催化很有研究价值，但其功能稳定性较差、活性位点不均一性较大。

2024年12月3日，北京大学郭少军教授和吕帆博士在国际顶级期刊Nature Synthesis发表题为《Synthesis of isolated Ru-O3 sites on hexagonal close-packed intermetallic penta-metallene for hydrogen oxidation electrocatalysis》的研究论文，林芳旭、罗恒、李璐为论文共同第一作者，郭少军教授和吕帆博士为论文共同通讯作者。

郭少军，北京大学材料科学与工程学院长聘教授、博雅特聘教授，国家杰青，国家重点研发计划首席科学家，英国皇家化学会会士。

2005年本科毕业于吉林大学，2011年在中科院应化所取得博士学位，导师：汪尔康院士。2011-2013年在美国布朗大学从事博士后研究，2013-2015年在美国Los Alamos国家实验室作奥本海默杰出学者，2015年加入北京大学。

郭少军教授的研究兴趣为电催化、氢能、二次电池、光催化、电分析化学、材料催化医学、生物传感器。他长期从事电能源化学、材料与关键技术研究，以通讯作者身份在Nature、Science、Nat. Synth. 、Nat. Mater.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Rev. Mater.、CNS系列、PNAS/JACS/AM/Angew等高影响力期刊发表学术论文200余篇，论文被引7.9万余次，h指数150，2014-2023连续10年入选“全球高被引科学家”榜单（化学、材料）。

吕帆，北京大学材料科学与工程学院郭少军教授课题组博士后（已出站）。2016年本科毕业于武汉理工大学，2021年于北京大学获博士学位，导师为郭少军教授。目前作为北京大学博雅博士后进行博士后研究。

吕帆博士的研究兴趣主要是围绕绿色电解制氢技术，通过发展低贵金属基、高效稳定的催化材料体系，构筑低内阻的一体化膜电极部件，开发新类型的阳极取代反应，实现三低（低能耗、低成本、低排放）的氢电解制备。

作者合成了一种非常规的亚稳态六方密排（hcp）相金属间Pd基五金属烯（PMene-Ru0.18），其上均匀分布着孤立的Ru-O3原子位点，克服了这些障碍。

该结构表现出优异的氢氧化反应（HOR）活性、稳定性和抗CO中毒性能。质量活性和交换电流密度分别达到11.5 mA μg-1和1.0 mA cm-2，是Pd基HOR催化剂报道的最快反应动力学。

原位拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算证实，有序原子排列产生的强化配体效应往往会增强羟基和水的吸附，而均匀的Ru-O3位点则有助于减弱HOR相关中间体的吸附（*H、*OH和*H2O），形成有利的反应路径。

这项工作证明了高价Ru和表面氧在增强协同过程和水重组方面的重要性。

图1：PMene-Ru0.18的形态、组成和结构表征

图2：PMene-Ru0.18的精细结构表征和电化学性能

图3：电化学HOR性能

图4：其他PMene催化剂的结构表征和HOR性能

图5：密度泛函理论（DFT）计算和原位机理研究

综上，该论文研究了一种新型的基于钯的五金属层状化合物（pentametallene），通过在其中均匀分布孤立的Ru-O3活性位点，显著提高了氢氧化反应（HOR）的电催化性能，包括活性、耐久性和抗CO中毒能力。

这项研究不仅提供了一种新的策略来优化和设计高效的HOR电催化剂，而且对于降低燃料电池中贵金属的用量、提高电池性能和降低成本具有重要的实际应用价值。

未来这种新型电催化剂有望在燃料电池和碱性交换膜燃料电池（AEMFCs）中得到应用，从而提高这些设备的能量转换效率和长期稳定性。此外，由于其优异的抗CO中毒能力，这种材料还可能在含有CO的环境中表现出色，拓宽了其在各种工业和能源应用中的潜在用途。

Lin, F., Luo, H., Li, L. et al. Synthesis of isolated Ru-O3 sites on hexagonal close-packed intermetallic penta-metallene for hydrogen oxidation electrocatalysis. Nat. Synth. (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00685-4.

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