DOI: 10.1016/j.cej.2019.123655
單原子催化劑由于具有原子最大化利用率及優異的催化性能引起了廣泛的關注，然而，其較高的表面能極易導致單原子在合成和催化過程中團聚為大尺寸的納米顆粒。
近日，江南大學杜明亮教授&朱罕副教授等通過在電紡聚乙烯醇（PVA）纖維上原位生長Ru單原子，該催化材料在堿性電解質中表現出優異的電催化析氫性能。將靜電紡絲技術與高溫碳化相結合，以PVA納米纖維為反應器，在碳化過程中孕育出Ru納米團簇。在高溫碳化過程中引入NH3轟擊納米纖維表面，可實現Ru納米團簇到Ru單原子的原位生長。高溫下氣體輔助碳化可使得原本不含N的碳納米纖維表面富含氮摻雜碳結構，這種結構對Ru單原子具有很好的錨定作用，可實現從Ru納米團簇/碳納米纖維（Ru NCs/CNFs）到Ru單原子/氮摻雜碳納米纖維（Ru SAs/NCNFs）的轉變。由于在納米纖維中大面積分布的Ru單原子提供了大量的活性位點以及碳纖維的三維網絡結構有利于加速電催化水解過程中氫的吸附與脫附，制備的Ru SAs/NCNFs催化材料表現出十分優異的堿性電催化析氫性能，20 mA下的過電位僅為34 mV，遠優于商業Pt/C，且具有良好的穩定性。這項工作對于單原子催化劑的工業化大批量制備提供了新的思路和方法。
有關研究成果以題為“Simple construction of ruthenium single atoms on electrospun nanofibers for superior alkaline hydrogen evolution: A dynamic transformation from clusters to single atoms”發表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文第一作者為江南大學化學與材料工程學院博士研究生張志力，通訊作者為江南大學化學與材料工程學院朱罕副教授和杜明亮教授。
圖1. Ru單原子的制備及納米團簇到單原子的轉變過程。
圖2. 電紡纖維負載的Ru納米團簇/顆粒在不同溫度下的形貌圖：(a-c) 800 oC; (d-f) 1000 oC;(g-i) 1200 oC。
圖3. Ru NCs/CNFs的(a) AC-HAADF-STEM圖，(b) mapping圖；Ru SAs/NCNFs的(c) AC-HAADF-STEM圖，(d) mapping圖。
圖4. Ru NCs/CNFs和Ru SAs/NCNFs的(a)XRD圖譜; XPS 光譜: (b) Ru 3p; (c) N 1s；(d) XANES; (e) EXAFS; (f) EXAFS擬合結果。
圖5. 性能測試: (a) 不同氨氣處理時間的 Ru SAs/NCNFs與20%商業Pt/C的LSV曲線; (b) 氨氣處理1 h的Ru SAs/NCNFs-1與20%商業Pt/C的質量活性對比；(c) 不同氨氣處理時間的Ru SAs/NCNFs與20%商業Pt/C的Tafel斜率；(d) Tafel斜率與20 mA cm-2下過電位對比; (e) 不同氨氣處理時間的Ru SAs/NCNFs與20%商業Pt/C的Cdl值; (f) Ru SAs/NCNFs-1與20%商業Pt/C的穩定性測試；(g) 電解質中加入10 mM EDTA或10 mM KSCN后 Ru SAs/NCNFs-1的LSV測試；(h)不同氨氣處理溫度的 Ru/NCNFs LSV曲線; (i)不同碳化溫度的 Ru/CNFs LSV曲線。
