化石燃料的过度开采和使用造成了能源短缺和环境污染的问题。探索和发展绿色、可再生能源技术，如光电水解、燃料电池、金属-空气电池已成为当今的研究热点。氧还原反应、析氧反应和析氢反应是这些能源技术的核心，催化剂对加快这些反应的进程，提高相关能源器件的效率起到关键的作用。开发对三个反应都具有高活性的三功能催化剂不仅可以降低单独开发多种催化剂的成本，而且对能源转化与存储器件的集成和整合也是十分必要的。
有鉴于此，美国加州大学尓湾分校Huolin Xin教授和天津理工大学刘熙俊副研究员等人，首次报道了锚定在Ti3C2Tx MXene纳米片上的单原子Ru位点可作为三功能电催化剂，同时催化酸性HER、OER和ORR。
本文要点
1）通过将Ru-O2原子分散在超薄Ti3C2Tx MXene纳米片上制备了一种高活性，耐用的三功能电催化剂（Ru-SA/Ti3C2Tx），Ru负载量为0.23 wt％。Ru-SA/Ti3C2Tx催化剂在酸性环境中表现出对HER，ORR和OER的高活性和良好的稳定性，优于大多数报道的三功能电催化剂。在10 mA cm-2的条件下，ORR的半波电势为0.80 V，OER和HER的半波电势分别为290和70 mV。
2）值得注意的是，当Ru-SA/Ti3C2Tx用作酸性全水分解（OWS）的阳极和阴极时，其在1.56 V的小电池电压下达到10 mA cm-2，表明其有望在质子交换膜中实现（PEM）水电解。同时，Ru-SA/Ti3C2Tx在H2-O2 PEM燃料电池中表现出良好的性能，峰值功率密度为941 mW cm-2，接近最先进的值。
3）理论计算表明，孤立的Ru-O2位点可以有效地优化反应物/中间体的吸附，并降低潜在决定性步骤的能垒，从而加快HER，ORR和OER动力学。
总之，该工作也为其他高性能三功能催化剂的设计制备提供了新的思路。
参考文献：
Xianyun Peng et al. Trifunctional Single‐Atomic Ru Sites Enable Efficient Overall Water Splitting and Oxygen Reduction in Acidic Media. Small, 2020.
DOI: 10.1002/smll.202002888
https://doi.org/10.1002/smll.202002888
