Stabilizing ruthenium atom layer neighbors through molecular and metal support interactions for water electrolyzers

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作者
Seongbeen Kim,Hyunwoo Jun,Jihye Park,Sungjun Kim,Sunghyun Noh,Seung‐Jae Shin,Bupmo Kim,Kug‐Seung Lee,Jiwon Kim,J. G. Byeon,Minkyeong Ban,Daeeun Choi,Hoijun Kim,Hoijun Kim,Jong Hyun Jang,Wooyul Kim,Joonhee Moon,Jang Yong Lee,Hyungjun Kim,Hyungjun Kim
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-78037-3
摘要

Abstract Designing catalysts that maximize both atomic efficiency and catalytic activity remains a central challenge in heterogeneous catalysis. While single-atom catalysts maximize noble metal utilization, their isolated structure limits the adsorption configurations of adsorbates, thereby diminishing their catalytic efficiency. We present a versatile platform based on atom-layer neighbors, where the proximity of Ru ensembles diversifies adsorption configurations while simultaneously enhancing adsorbate binding through ligand effects. By leveraging molecular interactions and strong metal-support interactions, we thermodynamically stabilize atomically thin structures comprising only a few Ru atoms, allowing the synthesis of size-tuned Ru atom-layer neighbors on WC x supports. The optimized *H binding on size-tuned Ru ensembles, combined with *OH enrichment on WC x supports, leads to competitive activity per unit noble metal cost in anion-exchange membrane water electrolyzers. Notably, our catalyst achieves the DOE 2026 performance target for PEMWE even at a lower temperature of 60 °C, with a Ru loading of 0.100 mg cm −2 , below the DOE’s ultimate noble metal loading threshold. This atom-layer neighbor platform offers a general strategy for enhancing catalyst efficiency while maintaining high noble metal utilization.
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