背景介绍
氢能作为一种清洁高效的能源载体，在全球能源转型中扮演重要角色。电催化水分解产氢（HER）是实现氢经济的关键途径之一。然而，碱性HER过程中存在反应动力学缓慢、过电位高等问题，限制了其效率和经济性。钌（Ru）因其相对低廉的成本和良好的催化活性，被视为替代铂（Pt）的潜力材料，但其在碱性HER中的性能仍受限于水分子解离和氢中间体吸附/脱附的能垒过高。近年来，通过调控催化剂的电子不对称性来优化反应路径、降低能垒，成为一种新兴的设计策略。
研究方法
通过将不同负载量的Ru前驱体与氮掺杂石墨烯复合，经热处理制备出一系列Ru-NC催化剂，系统调控Ru纳米簇中高价态Ruⁿ⁺与金属态Ru⁰的比例。采用SEM/TEM、XPS、XRD和拉曼光谱等手段对材料形貌、结构和电子状态进行表征。在碱性电解液中通过电化学测试评估其HER性能，并结合密度泛函理论（DFT）计算深入揭示电子不对称性对水分子解离和氢吸附自由能的影响机制。
成果简介
优化后的Ru-NC催化剂（Ruⁿ⁺/Ru⁰ ≈ 57.1%）在碱性HER中表现出卓越性能，其过电位仅为29 mV（@10 mA·cm⁻²），塔菲尔斜率为46 mV·dec⁻¹，优于商用Pt/C催化剂，同时展现出优异的稳定性，在100 mA·cm⁻²下连续运行80小时仍保持高活性。实验与理论计算共同表明，Ruⁿ⁺位点促进H₂O解离，Ru⁰位点优化*H吸附/脱附，二者协同降低反应能垒，显著提升HER动力学。该研究为通过电子结构调控设计高效Ru基催化剂提供了新策略。
图文导读
图 1 (a) Ru-NC的SEM图。(b) Ru-NC 的TEM图和粒径分布图。(c) Ru-NC 的HRTEM图。(d) Ru-NC的EDS元素映射图。
图 2 (a) Ru-NC和NC的XRD图谱。(b) NC和Ru-NC的拉曼光谱。(c) Ru-NC和NC的C 1s XPS谱图。(d) Ru-NC的Ru 3p XPS谱图。
图3 NC、Pt/C和Ru-NC的HER性能。(a) LSV曲线。(b) 10 mA·cm⁻²处的过电位。(c) 塔菲尔斜率。(d) Pt/C、NC和Ru-NC的双电层电容。(e) Ru-NC在5000次循环后的稳定性。(f) 100 mA·cm⁻²下的计时电位曲线。
图4 不同比例Ru-NC催化剂的（a）Ru 3p XPS谱图，（b）Ru 3p XPS分峰拟合谱图及（c）100 mAcm⁻²下的过电位和Ruⁿ⁺/Ru⁰比例。（d）不同Ruⁿ⁺/Ru⁰比例与过电位的拟合曲线。
作者简介
苏亚琼，西安交通大学化学学院研究员，博士生导师，陕西省高层次人才。硕士毕业于厦门大学，博士毕业于荷兰埃因霍温理工大学，西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”入选者。在Science（2）等发表学术论文200余篇。ChemCatChem、Journal of Materials Informatics、AI for Materials、Journal of Supercritical Fluids、Photocatalysis: Research and Potential、Current Catalysis等多种国际学术期刊编委，eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年编委。
文章信息
Sun Z, Guo Q, Liu J, et al. Modulating electronic asymmetry in Ru clusters to boost hydrogen evolution reaction. Nano Research, 2025, 18(9): 94907689.
https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907689.
