碱性HOR是氢能源技术不可或缺的一部分，包括阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）和镍氢电池等。在碱性条件下，HOR的反应速率较慢，这就需要使用贵金属铂（Pt），这使得对铂的需求比在酸性条件下高出许多倍。然而，铂在碱性HOR中的大量使用会对AEMFCs和镍氢电池的发展和推广构成重大限制，这凸显了开发和使用非铂催化剂的迫切需求。在非铂替代品中，基于钌的催化剂因其相似的氢结合能（HBE）和大约是铂成本的一半而成为碱性HOR的有前景候选者。但在碱性环境中，钌的强氧化性会导致其表面形成致密的羟基吸附层（OHads），从而严重阻碍钌的活性位点。这极大地削弱了钌基催化剂的催化活性和稳定性，导致钌的使用量增加，同时也降低了其作为铂替代品的竞争力。

为了缓解钌基催化剂因氢氧根（OH）诱导的钝化和失活现象，一种常见的方法是通过增加钌表面的局域结构无序性来打破其电荷对称性。虽然这种策略显示出一定的前景，但它可能会降低钌的固有活性，并且过度的改性可能会限制羟基（OH）的供应，而羟基是碱性HOR所必需的。鉴于OH在碱性HOR过程中是关键的反应物，保持其在Ru表面的平衡对于实现最佳性能至关重要。因此，迫切需要开发更有效的策略，既要解决在碱性HOR环境中Ru表面过度吸附羟基的问题，又要确保持续供应羟基。

首先，我们采用密度泛函理论计算去解释这种羟基缓冲基序在Ru表面的作用，在Ru表面构建单Fe原子作为羟基缓冲位点（图1）。计算结果表明，Ru表面的Fe单位点可以明显降低Ru活性位点上的含氧物种吸附，因此促进活性Ru位点的暴露。此外，Fe单位点能够降低活性H和OH之间的距离，进而降低速率决定步骤（Volmer步）的能垒，从而加速碱性HOR反应。

图1. 密度泛函理论计算

我们进一步进行了实验去证明这种羟基缓冲机制（图2）。在N掺杂的碳纳米管上构建了Ru团簇，并在其表面构建Fe单位点。球差电镜和高分辨EELS光谱证明Fe是以单原子的形式分布在Ru团簇的表面。同步辐射证明Fe的价态是+3价。

图2. 材料合成以及表征

接下来，我们在0.1 M KOH溶液中以1 mV/s的扫速测试了催化剂的碱性HOR反应性能（图3）。结果表明，具备Fe单位点的Ru催化剂与单独的Ru催化剂相比，50 mV过电位下动力学质量活性提高了32.1倍，交换电流密度提高了2.2倍。稳定性测试也表明，其具备提高的稳定性，远优于商业Pt/C催化剂和纯Ru催化剂。

图3. 材料性能测试

为了揭示这种优异性能的形成机制，我们采用原位红外和原位同步辐射表征去测试催化剂表面的电子和界面结构（图4）。原位同步辐射和拟合结果说明Fe单位点的引入有利于延缓Ru催化剂在碱性和电位作用下的氧化失活。原位红外表征证明Fe单位点的引入能够明显降低Ru表面对含氧物种的吸附。

图4. 原位表征

基于其在碱性HOR反应中的优势表现，我们将其组装到阴离子交换膜燃料电池和镍氢电池中（图5）。性能测试表明，具备Fe单位点的Ru催化剂在实际装置中具备远优于纯Ru催化剂的活性和稳定性，具备极大的实际应用潜力。