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由金屬結(jié)點與有機配體嚴格組裝形成的金屬-有機骨架（MOFs）材料已被證明是制備各種納米催化劑的理想前驅(qū)體。然而，MOFs自模板法衍生的碳骨架普遍繼承了前驅(qū)體的微孔結(jié)構(gòu)特點，嚴重限制了其內(nèi)部金屬活性位點的可利用性，并阻礙了催化過程中的傳質(zhì)作用。因此，開發(fā)具有高分散高活性金屬位點和等級孔結(jié)構(gòu)的電催化劑用于不同催化反應具有重要的意義。
基于此，中科院福建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學國家重點實驗室的朱起龍研究員與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的徐強教授合作，在國家自然科學基金等項目的資助下，首先利用雙溶劑誘導非均相成核法獲得了高分散Ru(III)離子修飾的有序大孔ZIF-8單晶（Ru(III)/MSC-ZIF-8），并以此為前驅(qū)體進一步高溫熱解得到了具有有序等級孔超結(jié)構(gòu)的Ru/N摻雜納米多孔碳（Ru/OMSNNC）微-納反應器。平均粒徑僅為1.8 nm的Ru團簇均勻地錨定在高度有序的超結(jié)構(gòu)碳壁上，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應并暴露出豐富的活性位點，而且三維有序大孔-中孔-微孔超結(jié)構(gòu)提供了有效的導電和傳質(zhì)通道。
基于這些獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，Ru/OMSNNC微-納反應器在不同pH電解液中均展示出超高的析氫反應（HER）性能，其質(zhì)量活性比商業(yè)Pt/C高出一個數(shù)量級。尤其是，此微-納反應器在1 M KOH電解液中的HER過電勢僅為13 mV@10 mA cm-2，Tafel斜率低至40.41 mV dec-1，在25 mV時具有1.6 H2 s-1的超高TOF值，遠遠優(yōu)于Pt/C和大多數(shù)最新報道的HER催化劑。另外，在實際的全水解體系中，Ru/OMSNNC可以與其衍生的OMS-RuO2陽極組裝成雙電極全解池，在相同的槽壓下，Ru/OMSNNC的產(chǎn)氫速率遠高于Pt/C。此外，該系統(tǒng)還可以直接耦合商用的太陽能光伏電池，表現(xiàn)出較高的應用潛力。
該工作為開發(fā)可用于未來能源領(lǐng)域的高性能HER催化劑以及其它先進催化材料提供了新的思路；同時也進一步認識了HER過程，為提升HER整體性能提供了實驗與理論支持。相關(guān)工作已在線發(fā)表在德國先進材料（Adv. Mater. 2021, 33, 2006965）上，朱起龍研究員課題組的在讀碩士生吳昱霖同學與助理研究員李曉芳博士為該論文的共同第一作者。
