开发在高电流密度下具有长期稳定性的高效电解水催化剂，仍是其大规模应用面临的一大挑战。

2025年10月12日，北京化工大学曾晓飞、石油化工科学研究院Jun Bao在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《Single-Atom Mo with High Oxophilicity Anchored Ru Clusters for Practical Anion-Exchange-Membrane Water Electrolyzer》的研究论文，Shuhuan Han为论文第一作者，曾晓飞、Jun Bao为论文共同通讯作者。

在本文中，作者构建了一种析氢反应（HER）电催化剂，该催化剂由Mo单原子与Ru原子团簇共同负载于氮掺杂空心碳球（Ru-MoN₄-NC）上。通过形成Ru-Mo和Mo-N键，Ru团簇与碳载体之间实现了强金属–载体相互作用（MSI），有效抑制了Ru原子的脱落与团聚，显著提升了电催化稳定性。

此外，亲氧性的MoN₄位点促进了羟基物种的吸附，增强了水的解离能力，从而提升了HER活性。作为阴极催化剂，Ru-MoN₄-NC在阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）中表现出优异的稳定性（在1 A cm^-2的工业级电流密度下可稳定运行1200 h），并具有较低的电池电压（1.72 V）。

同时，该催化剂在碱性条件下展现出卓越的HER活性，具有低过电位（在10 mA cm^-2下为8 mV，在1 A cm^-2下为138 mV）和高质量活性（在50 mV下为7.5 A mg_Ru^-1）。

图1：材料制备与形貌表征。a展示了Ru-MoN₄-NC的合成示意图。通过水热法将Ru原子团簇锚定在氮掺杂空心碳球（NC）上，Mo以单原子形式存在。b-d为TEM图像，显示Ru团簇均匀分布在NC表面，平均粒径约1.2 nm。e-g为HAADF-STEM图像，进一步确认Ru团簇无明显晶格结构，Mo原子分布在Ru团簇边缘，表明Mo与Ru之间存在强相互作用。h为EDX元素分布图，显示C、N、Ru、Mo元素均匀分布。

图2：结构与电子结构表征。a为XRD图谱，Ru-MoN₄-NC中未出现Ru晶体峰，表明Ru以非晶团簇形式存在。b-c为XPS谱图，Ru 3p峰位正移，Mo以Mo⁵⁺为主，表明电子从Ru向Mo转移。d为拉曼光谱，Ru-MoN₄-NC的I_D/I_G比值升高，表明金属引入增加了碳载体缺陷。e-g为Mo K-edge XANES与EXAFS谱图，确认Mo与Ru、N形成配位结构，进一步验证Mo单原子与Ru团簇之间的强相互作用。

图3：碱性HER电催化性能。a为LSV极化曲线，Ru-MoN₄-NC在10 mA cm^-2下仅需8 mV过电位，优于Pt/C和Ru-NC。b-c为Tafel斜率对比，Ru-MoN₄-NC为22.2 mV dec^-1，表明其反应动力学最快。d为与文献对比，Ru-MoN₄-NC的过电位与Tafel斜率均优于多数已报道Ru基催化剂。e为碳纸负载下的高电流密度性能，1 A cm^-2下过电位为138 mV。f为稳定性测试，Ru-MoN₄-NC在1 A cm^-2下可稳定运行1020 h，性能几乎无衰减。

图4：原位Raman研究反应机理。a–b为原位Raman光谱，Ru-MoN₄-NC在-0.16 V即出现Ruⁿ⁺-H振动峰，早于Ru-NC（-0.20 V），表明其氢吸附能力更强。c-d显示Ru-MoN₄-NC未出现Ru⁰-H峰，说明Mo的引入抑制了Ru的还原。e-f为O-H伸缩振动峰分峰拟合，Ru-MoN₄-NC中K⁺水合水（v₃）比例更高，有利于水分子吸附与解离。g定量对比v₃比例，Ru-MoN₄-NC显著高于Ru-NC，表明其界面水结构更有利于HER。

图5：密度泛函理论（DFT）计算。a为Ru-MoN₄-NC原子结构模型，Ru₁₁团簇与MoN₄结构相邻。b为差分电荷密度图，显示Ru与Mo之间存在电荷转移，形成Ru-Mo准共价键。c为PDOS图，Ru-MoN₄-NC的Ru d带中心下移，减弱了H吸附强度。d-e为吉布斯自由能图，Mo位点水吸附更强，Ru位点H吸附接近热中性，有利于水解离与氢析出。f为催化机理示意图，Mo促进水吸附解离，Ru位点完成氢还原，协同提升HER性能。

图6：AEMWE器件性能。a为AEMWE装置示意图，Ru-MoN₄-NC为阴极，NiFe-LDH为阳极。b-c为LSV曲线，Ru-MoN₄-NC在1 A cm^-2下电池电压为1.72 V，2 A cm^-2为1.89 V。d为稳定性测试，器件在1 A cm^-2下运行1200 h电压几乎无变化。e为与文献对比，Ru-MoN₄-NC在电压与稳定性方面均优于多数已报道Ru基催化剂，显示出良好的工业应用前景。

综上，作者构建了一种新型碱性析氢反应（HER）电催化剂 Ru-MoN₄-NC，通过将Mo单原子与Ru原子团簇协同负载于氮掺杂空心碳球上，显著增强了金属-载体相互作用，有效抑制了Ru的团聚与脱落，极大提升了催化剂在高电流密度下的稳定性与活性。

该催化剂在工业级电流密度（1 A cm^-2）下可稳定运行1200 h，电池电压仅为1.72 V，表现出优异的电化学性能，包括极低的过电位和高质量活性。研究揭示了Mo亲氧位点在促进水分子吸附与解离中的关键作用，为碱性HER催化剂的设计提供了新思路。

该成果不仅在电解水制氢领域具有重要的科学意义，也为实现高效、低成本、长寿命的绿氢生产提供了可行的材料基础，展现出广阔的工业应用前景。

Single-Atom Mo with High Oxophilicity Anchored Ru Clusters for Practical Anion-Exchange-Membrane Water Electrolyzer. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202522524.