碱性阴离子交流膜燃料电池因具有可兼容非贵金属催化剂、体系成本低、安全性高级优势，被认为是下一代可继续氢能转化技能的重要开展趋势。但是，在碱性介质中，氢氧化反响（HOR）动力学明显迟滞，尤其是在高电流密度运转条件下，电极/电解质界面处质子耦合传递受限、反响中间体吸附强度失衡等问题严峻限制了燃料电池功能提高。钌作为价格低于铂且具有附近d带电子结构的铂族金属，被视为开展低成本、高功能碱性HOR催化剂的潜在代替资料，但其界面反响动力学和器材功能仍有待打破。

  针对上述应战，西安交通大学化学学院曾令有研讨员（丁书江教授团队）携手北京大学郭少军教授，提出了“稀土单原子调控内建电场和界面水分子取向”的催化剂规划战略。研讨团队经过可控阳离子交流与部分复原工艺，成功构筑了Gd单原子嵌入的Ru/RuOₓ异质结构催化剂（Ru/RuOₓ-Gd@C）。该战略使用孤立Gd原子诱导Ru/RuOₓ界面构成更强的非对称电荷分布，增强异质结构内建电场，然后调控Ru活性位点的外表亲氧性和界面水分子取向。研讨标明，Gd单原子引发的电子结构调控可以优化催化剂外表羟基物种掩盖，促进电极/电解质界面处“氧朝下”水分子构型（H2O↓）的取向重构。该有序水结构进一步强化了界面氢键网络，构建了高效的质子传导通道，然后明显加快碱性HOR反响动力学。根据这一机制，Ru/RuOₓ-Gd@C催化剂完成了8.87 mA μgRu-1的质量活性和0.39 mA cm-2的交流电流密度，分别为商业Pt/C的6.6倍和2.0倍。进一步拼装的阴离子交流膜燃料电池完成了16.3 W mgRu-1的Ru质量归一化峰值功率密度，并可安稳运转超越60小时。该研讨从内建电场调控、界面亲氧性优化和水分子取向重构三个层面提醒了高效碱性HOR催化的界面调控机制，为开展低贵金属用量、高功能和高安稳性的碱性氢燃料电池阳极催化剂供给了新思路。

  该研讨得到了国家自然科学基金面上项目、西安交通大学青年优秀方案、中心高校根本科研业务费、北京市杰出青年科学基金、我国博士后科学基金等项目的支撑，并取得西安交通大学国家储能技能产教交融立异渠道和西安交通大学剖析测验中心在测验表征方面的支撑。