第一作者：Yang Gao
通讯作者：Feng He,Yuliang Li
通讯单位：Chinese Academy of Sciences
研究内容：
毫无疑问，氢能在促进现代社会的发展和进步方面可以发挥重要作用。氢能的利用发展迅速，但离人类的要求还很远。因此，开发高效制氢的方法和技术，特别是高活性和耐用的电催化剂是非常迫切的。在本研究中，作者报道了负载在钒钌氧化物/石墨烯（VRuOx/GDY）异质结构上的双金属氧化物簇。石墨炔独特的富乙炔结构实现了电催化剂的突出特性：i）可控制备催化剂以实现多金属簇；ii)用于合成高性能催化剂的催化剂组成和形态的调节； iii)高活性和持久的析氢反应(HER)特性。分别在碱性和中性介质中具有强大的长期稳定性的最佳多孔电催化剂(VRu0.027Ox/GDY)可以在13mV 和12mV 的低过电位下提供10mA cm-2的电流，这远小于Pt/C。结果表明，不同组分的协同作用可以有效地促进电子/传质性能，降低能垒，并增加活性位点数量以获得高催化性能。
示意图1：本文中的示意图
要点一：
石墨炔 (GDY)是一种含有 sp和sp2杂化碳原子的新型二维碳同素异形体，具有均匀的三角形孔、不均匀分布的表面电荷、优异的导电性和高稳定性，已被证明是一种很有前途的电极材料。GDY明确的多孔结构赋予它许多优于传统碳材料的独特性能。例如，多孔 GDY中 sp-C原子（-C≡C-）的存在导致无限活性位点的形成和高度的催化活性。多孔GDY的天然腔结构可以促进催化过程中的传质，同时增加催化活性表面积。本文中的实验和理论结果也证明了GDY可以作为合理制造理想界面结构以实现高活性和稳定催化的理想载体。
要点二：
作者合成了一系列具有不同金属摩尔比的钒钌氧化物负载的多孔二维GDY，并用于HER。值得注意的是，所制备的催化剂在碱性和中性条件下都具有较高的催化活性。当Ru/V比值为0.027时，催化剂(VRu0.027Ox/GDY)在碱性和中性条件下均表现出最高的电催化活性，过电位分别为13mV和12mV（10mAcm−2）。并且在各自条件下进行长期稳定性试验后的活性损失可以忽略不计。理论和实验结果表明，如此优秀的催化活性主要归功于GDY基异质结构的独特多孔结构和GDY与团簇之间大大增强的电荷转移，这可以促进水的解离过程，从而优化制氢的自由能。
图1.a),b) VRu0.027Ox/GDY的SEM图像和HRTEM图像。c-e)VRu0.027Ox/GDY的HAADF-STEM图像。f)VRu0.027Ox簇在多孔GDY上的粒度分布。g),h)VRu0.027Ox/GDY的低倍率和高倍率AFM图像。i~k) STEM图像及对应的元素映射图像。
图2.a) i)VRu0.027Ox/GDY和ii)GDY的C1s XPS光谱。b)i)VRu0.027Ox/GDY和ii)VRu0.027Ox的V2p光谱。c)i)VRu0.027Ox/GDY和ii)VRu0.027Ox的Ru3d和C1s光谱。d)i)VOx/GDY、ii)RuOx/GDY和iii)VRu0.027Ox/GDY的O1s光谱。e),f)Ru箔、RuO2和VRu0.027Ox/GDY的XANES光谱、傅里叶变换的Ruk边EXAFS光谱。
图3.a) 三电极系统的照片,左下角的iii)为(ii) 中WE 的放大图像。b),c)在1.0 M KOH 中，样品的HER极化曲线和相应的Tafel 斜率。d)VRu0.027Ox/GDY的HER 性能与报道的电催化剂的比较。e)VRu0.027Ox/GDY在1.0 M KOH 中进行23000 次CV循环测试前后的极化曲线（插图：VRu0.027Ox/GDY在1.0 M KOH 中的循环伏安法(CV) 测量）。 f), g)在1.0 M PBS中，催化剂的HER极化曲线和相应Tafel 图。h)VRu0.027Ox/GDY与报道的电催化剂在1.0 M PBS 中的HER 性能的比较。i)在1.0 M PBS 中进行16 000 次CV 循环测试之前和之后VRu0.027Ox/GDY的极化曲线（插图：VRu0.027Ox/GDY在1.0 M PBS 中的循环伏安法(CV) 测量）。
图4.a)催化剂的奈奎斯特图。b)电流密度的差异对扫描速率的影响。c)在VOx/GDY、RuOx/GDY和VRu0.027Ox/GDY上的HER自由能图。d)VOx/GDY,e)和f)VRu0.027Ox/GDY中的电荷分布（棕色、银色、紫色和红色球分别代表C、V、Ru和O原子）。g)VOx/GDY、h）RuOx/GDY和i）VRu0.027Ox/GDY的PDOS（金属原子的费米能级(EF)和d带中心的位置用虚线表示）。
参考文献：
Gao, Y., Xue, Y., Liu, T., Liu, Y., Zhang, C.,Xing, C., He, F., Li, Y., Bimetallic Mixed Clusters Highly Loaded onPorous 2D Graphdiyne for Hydrogen Energy Conversion. Adv. Sci. 2021,2102777.
