氢能具有高能量密度和零污染排放的特点，有助于解决能源短缺和环境污染的问题。目前，通过可持续能源电解水生产氢气在商业上是可行的。在各种水电解槽中，使用非Ir基电催化剂的阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)可以实现工业级(≥1 A cm-2)的输出电流密度，成本显著降低(AEMWEs)。例如，与质子交换膜水电解槽相比，AEMWEs的催化剂包膜和电池组成本分别降低了36.2%和25.9%。
然而，在AEMWE的阴极HER中，动力学缓慢。即使是商业的Pt/C，与酸性HER相比，碱性HER的活性也下降了约2个数量级。因此，通过设计高性能阴极电催化剂来克服碱性HER的缓慢动力学，对于促进AEMWE的商业化至关重要。
近日，华中科技大学李箐课题组开发了一种电化学锂化策略，将Li插入亚2 nm Ru-Sn纳米线(NWs)的晶格中，并在电化学运行过程中部分溶解它们，从而提高AEMWEs的碱性HER活性。LixRuSn0.8纳米线中的Li含量可以通过组装的Li离子电池中的截止电压和电流密度进行精确调节。
更重要的是，在HER过程中，掺入的Li在Ru-Sn NWs中倾向于原位溶解，并优化电双层(EDL)的结构，从而促进电极/电解质界面中的质子运输。结果表明，最优的Li3.0RuSn0.8 NWs/C催化剂在1.0 M KOH中电流密度为100 mA cm-2时的HER过电位仅为66 mV；并且经过30000次循环加速稳定性试验(AST)后，过电位可进一步降低到38 mV。
原位拉曼和原位XAS研究表明，在反应过程中，Li3.0RuSn0.8 NWs/C能够促进水的解离，溶解的Li+可以增强氢键网络的灵活性，这是由于电极/电解质界面中自由水(AM H2O，AM代表碱金属)比例的增加。
理论计算表明，插入的Li对降低水解离势垒具有促进作用，溶解的Li+与更多的水形成水合分子可以增加界面水分子的数量，提高氢键网络的连通性。此外，基于Li3.0RuSn0.8 NWs/C的AEMWE能够在低电池电压(1.689 V)下实现工业规模的电流密度(1 A cm-2)。并且在1 A cm-2下连续运行1000小时后仅表现出微小的电池电压损耗(56 μV h-1)。
综上，该项研究巧妙地引入碱金属离子以及碱金属离子来调节界面结构，进而提升碱性HER动力学，为用于水电解设备和其他电化学能量转换装置的高性能电催化剂的开发提供了理论指导。
Electrochemical lithiation regulates the active hydrogen supply on Ru–Sn nanowires for hydrogen evolution toward the high-performing anion exchange membrane water electrolyzer. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.4c17373
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