堿性HOR是氫能源技術不可或缺的一部分，包括陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）和鎳氫電池等。在堿性條件下，HOR的反應速率較慢，這就需要使用貴金屬鉑（Pt），這使得對鉑的需求比在酸性條件下高出許多倍。然而，鉑在堿性HOR中的大量使用會對AEMFCs和鎳氫電池的發展和推廣構成重大限制，這凸顯了開發和使用非鉑催化劑的迫切需求。在非鉑替代品中，基于釕的催化劑因其相似的氫結合能（HBE）和大約是鉑成本的一半而成為堿性HOR的有前景候選者。但在堿性環境中，釕的強氧化性會導致其表面形成致密的羥基吸附層（OHads），從而嚴重阻礙釕的活性位點。這極大地削弱了釕基催化劑的催化活性和穩定性，導致釕的使用量增加，同時也降低了其作為鉑替代品的競爭力。

為了緩解釕基催化劑因氫氧根（OH）誘導的鈍化和失活現象，一種常見的方法是通過增加釕表面的局域結構無序性來打破其電荷對稱性。雖然這種策略顯示出一定的前景，但它可能會降低釕的固有活性，并且過度的改性可能會限制羥基（OH）的供應，而羥基是堿性HOR所必需的。鑒于OH在堿性HOR過程中是關鍵的反應物，保持其在Ru表面的平衡對于實現最佳性能至關重要。因此，迫切需要開發更有效的策略，既要解決在堿性HOR環境中Ru表面過度吸附羥基的問題，又要確保持續供應羥基。

首先，我們采用密度泛函理論計算去解釋這種羥基緩沖基序在Ru表面的作用，在Ru表面構建單Fe原子作為羥基緩沖位點（圖1）。計算結果表明，Ru表面的Fe單位點可以明顯降低Ru活性位點上的含氧物種吸附，因此促進活性Ru位點的暴露。此外，Fe單位點能夠降低活性H和OH之間的距離，進而降低速率決定步驟（Volmer步）的能壘，從而加速堿性HOR反應。

圖1. 密度泛函理論計算

我們進一步進行了實驗去證明這種羥基緩沖機制（圖2）。在N摻雜的碳納米管上構建了Ru團簇，并在其表面構建Fe單位點。球差電鏡和高分辨EELS光譜證明Fe是以單原子的形式分布在Ru團簇的表面。同步輻射證明Fe的價態是+3價。

圖2. 材料合成以及表征

接下來，我們在0.1 M KOH溶液中以1 mV/s的掃速測試了催化劑的堿性HOR反應性能（圖3）。結果表明，具備Fe單位點的Ru催化劑與單獨的Ru催化劑相比，50 mV過電位下動力學質量活性提高了32.1倍，交換電流密度提高了2.2倍。穩定性測試也表明，其具備提高的穩定性，遠優于商業Pt/C催化劑和純Ru催化劑。

圖3. 材料性能測試

為了揭示這種優異性能的形成機制，我們采用原位紅外和原位同步輻射表征去測試催化劑表面的電子和界面結構（圖4）。原位同步輻射和擬合結果說明Fe單位點的引入有利于延緩Ru催化劑在堿性和電位作用下的氧化失活。原位紅外表征證明Fe單位點的引入能夠明顯降低Ru表面對含氧物種的吸附。

圖4. 原位表征

基于其在堿性HOR反應中的優勢表現，我們將其組裝到陰離子交換膜燃料電池和鎳氫電池中（圖5）。性能測試表明，具備Fe單位點的Ru催化劑在實際裝置中具備遠優于純Ru催化劑的活性和穩定性，具備極大的實際應用潛力。