阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因运行环境腐蚀性较低、可兼容非铂基催化剂并具有潜在成本优势，被认为是发展低成本氢能转换技术的重要路线。然而，碱性介质中的氢氧化反应（HOR）动力学远慢于酸性介质，严重制约AEMFCs的功率输出与实际应用。钌（Ru）具有较高的HOR催化活性，且成本相对铂（Pt）更低，是极具潜力的阳极催化材料。但现有Ru基催化剂仍面临两方面关键挑战：一方面，Ru原子簇表面能较高，在制备和长期电化学运行过程中易发生迁移、团聚与脱落，而传统物理限域或d区过渡金属调控策略往往难以兼顾强锚定与合理的电子结构调节，导致活性结构稳定性不足；另一方面，碱性电解液中水合阳离子在催化剂界面的富集会削弱局域氢键网络的连通性，限制界面质子传递，而现有研究多聚焦于调控金属表面电子结构以优化H*和OH*吸附，对界面水微环境的协同调控关注不足。因此，如何在原子尺度稳定Ru活性结构，并同步构筑有利于质子传递的界面水环境，是实现高活性、高稳定性AEMFC阳极催化的关键科学问题。
针对上述挑战，西安交通大学化学学院曾令有研究员（丁书江教授团队）提出了一种“p区单原子电子桥稳定Ru原子簇并重构界面水结构”的催化剂设计策略。研究团队以具有In-N₃O₁配位结构的铟（In）单原子为电子桥联中心，在N、O共掺杂碳载体上构筑了Ru原子簇催化剂（Ru AC/In₁@CNO）。研究发现，桥联In-N₃O₁单原子位点通过显著的In 5p-Ru 4d轨道杂化，与Ru原子簇形成稳定的Ru-In共价锚定相互作用，有效抑制Ru原子簇在制备及燃料电池运行过程中的迁移、团聚和脱落。实验表征与理论计算进一步表明，强Ru-In相互作用显著提升了Ru原子簇的结构稳定性。与此同时，In单原子桥联诱导的界面电子耦合能够调节Ru表面亲氧性，优化OH*吸附行为，并推动界面水由阳离子束缚状态向自由水状态动态转变，增强界面氢键网络连通性，进而构建高效的质子传递通道，加快碱性HOR动力学。
基于该设计策略，Ru AC/In₁@CNO催化剂展现出优异的碱性HOR性能，在50 mV过电位下实现7.17 A mgRu-1的质量活性，约为商业Pt/C的9倍。以Ru AC/In₁@CNO为阳极催化剂组装的AEMFC在H₂/O₂条件下获得1.33 W cm⁻²的峰值功率密度，并在0.5 A cm⁻²电流密度下稳定运行超过50小时，电压衰减仅为9.4%。该研究从“活性结构稳定”和“界面反应环境调控”两个维度协同解决Ru原子簇在实际器件中的活性与耐久性问题，为发展低贵金属用量、高性能和高稳定性的碱性氢燃料电池阳极催化剂提供了新的设计思路。
研究成果以“桥联p区In-N₃O₁单原子位点稳定Ru原子簇并激活界面水结构实现高性能碱性燃料电池”（Stabilizing Ru Atomic Clusters and Activating Interfacial Water Structure via Bridged p-Block In-N₃O₁ Single Sites for High-Performance Alkaline Fuel Cells）为题发表于国际化学领域顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。西安交通大学化学学院为第一署名单位，西安交通大学化学学院博士生赵伊茹、内蒙古大学赵忠龙副教授和长庚大学Hsiao-Chien Chen副教授为论文共同第一作者，西安交通大学曾令有研究员为论文通讯作者。
该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的支持，并获得西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台、西安交通大学分析测试中心在测试表征方面的支持。研究工作还得到上海同步辐射光源和台湾同步辐射研究中心在同步辐射表征方面的帮助。
论文链接地址：https://doi.org/10.1002/anie.8602110
曾令有研究员主页：https://gr.xjtu.edu.cn/lingyou.zeng/zh_CN/index.htm
丁书江教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dingsj
