郑州大学Angew:磷酸根阴离子修饰MXene负载单原子钌铜合金催化剂高效光催化氨硼烷水解制氢研究

研究背景

随着全球能源需求的增长和化石燃料资源的日益枯竭，寻找清洁、可持续的能源替代品已成为全球共识。氢能作为一种高效、清洁的能源载体，因其高能量密度和零排放特性，被视为未来能源转型的关键。然而，氢能的大规模应用依赖于高效、低成本的制氢技术。在众多制氢方法中，通过固体储氢材料（如氨硼烷，NH₃BH₃）的水解反应现场生成氢气，因其安全、便捷且氢含量高（19.6 wt%），被认为是一种极具潜力的制氢途径。然而，氨硼烷水解反应中，水分子解离步骤被认为是限制整体反应速率的关键步骤，因此，开发高效催化剂以加速这一步骤至关重要。

研究内容

本研究聚焦于设计并合成一种新型催化剂，以显著提升氨硼烷水解反应的制氢效率。研究团队通过磷酸根阴离子修饰MXene（P-Ti₃C₂）作为催化剂载体，并负载单原子钌铜合金（Ru-Cu SAA），成功制备出RuₓCu₁₋ₓ@P-Ti₃C₂系列催化剂。其中，Ru₉Cu₁@P-Ti₃C₂催化剂在室温光照条件下展现出了卓越的催化性能，其质量比活性高达746 L gₙᵤ⁻¹ min⁻¹，这一数值显著高于已报道的Ru-Cu基催化剂及其他同类体系。

具体而言，研究团队通过一系列实验表征手段，包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收精细结构谱（XAFS）等，系统分析了催化剂的晶体结构、形貌、化学组成及价态分布。结果表明，磷酸根阴离子的引入不仅优化了MXene的电子结构，还通过光增强效应促进了氨硼烷和水分子在Ru-Cu活性位点上的吸附与活化，进而加速了氢溢流效应，提升了整体催化反应速率。

在催化性能评估方面，研究团队在298 K条件下，分别在有无光照条件下测试了不同Ru/Cu比例的RuₓCu₁₋ₓ@P-Ti₃C₂催化剂的制氢性能。实验结果显示，随着Ru负载量的增加，催化性能呈现火山型趋势，当Ru负载量为2 wt%时，Ru@P-Ti₃C₂催化剂的活性达到最优，为104 L gᵣᵤ⁻¹ min⁻¹。而进一步引入Cu形成Ru-Cu SAA后，Ru₉Cu₁@P-Ti₃C₂催化剂的活性大幅提升至558 L gᵣᵤ⁻¹ min⁻¹，且在光照条件下，其活性进一步增至746 L gᵣᵤ⁻¹ min⁻¹，展现了光与催化剂协同作用的巨大潜力。

此外，研究团队还通过温度依赖的制氢实验，计算了不同催化剂的表观活化能（Eₐ）。结果显示，Ru@P-Ti₃C₂和Ru₉Cu₁@P-Ti₃C₂在无光照条件下的Eₐ分别为56.0 kJ mol⁻¹和53.6 kJ mol⁻¹，而在光照条件下，Ru₉Cu₁@P-Ti₃C₂的Eₐ进一步降低至49.8 kJ mol⁻¹，表明光激发产生的热电子显著降低了反应能垒，加速了催化动力学过程。

工作创新点

新型催化剂载体设计：本研究首次将磷酸根阴离子修饰的MXene（P-Ti₃C₂）作为催化剂载体，通过调控其电子结构，显著提升了催化剂对反应物的吸附与活化能力。

单原子合金催化剂的构建：成功在P-Ti₃C₂载体上负载了单原子钌铜合金（Ru-Cu SAA），通过合金化效应进一步优化了催化剂的电子结构，降低了反应能垒，提升了催化活性。

光与催化剂的协同作用：研究发现，在光照条件下，Ru-Cu SAA催化剂的活性显著提升，这归因于光激发产生的热电子促进了反应物的吸附与活化，加速了氢溢流效应，为光催化制氢提供了新的策略。

高催化活性与稳定性：Ru₉Cu₁@P-Ti₃C₂催化剂在室温光照条件下展现出了极高的质量比活性（746 L gᵣᵤ⁻¹ min⁻¹），且经过多次循环实验后，活性仍保持稳定，表明该催化剂具有优异的耐久性。

原文信息

Y. Mei, R. Shen, H. Yuan, et al. Phosphate Anion-Engineered MXene for Efficient Water Dissociation on Single-Atom Alloy, Angew. Chem. Int. Ed.. (2026): e24246, https://doi.org/10.1002/anie.202524246

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