Small：碱性海水中钌团簇与单原子的竞争协调配对促进碱性电解水析氢

第一作者：Chunzhu Qian,

通讯作者：Shichun Mu, Suli Liu

通讯单位：武汉理工大学，南京晓庄学院

研究内容：

Ru中心的配位环境决定了其催化性能，但对Ru单原子体系中团簇诱导电荷转移的关注较少。这里，密度泛函理论（DFT）计算，Ru团簇(Ru-Ru键)和单原子(Ru-O键)之间的竞争配位导致Ru和O原子之间的电荷再分配，ZnFe₂O₄单元共享更多的自由电子参与氢解吸过程，优化了质子吸附和氢解吸。因此，提出了一种点击约束策略，通过Ru-O配体（Ru₁_，_n-ZnFe₂O_x-C）在ZnFe₂O_x纳米片上建立单原子之间的竞争配位配对。由于优化的配位效应和钌团簇与单原子之间的电子协同作用，该催化剂在碱性和海水介质中具有优异的活性和稳定性，具有优异的析氢反应活性，分别在碱性和海水介质中达到10 mA cm⁻²的电流密度时，过电位低至10.1和15.9 mV，高于商业Pt/C催化剂。此外，它具有显著的质量活性，分别是商业Pt/C催化剂的2倍和8倍。

要点一：

根据作者的理论结果，通过Ru-Ru和Ru-O配体的竞争配位能力，精确调整旧键(Zn(Fe)-O)和新键(Ru-O)之间的平衡，可以促进Ru单原子的生成和稳定，促进水分子的吸附，从而优化Ru位点上的氢吸附能(∆G_H*)，以获得较高的HER活性。同时，Ru团簇有助于接受电子和质子，有利于H₂的快速演化。

要点二：

Ru₁_,_n-ZnFe₂O_x嵌在层状骨架中，碳化后，随着Ru单原子的产生和稳定，纳米片上出现了大量的孔穴，有效地暴露了大量的反应位点，固定了HER过程中的电子传输。此外，对于Ru₁_,_n-ZnFe₂O_x，Ru@ZnFe₂O_x以非常小的团簇均匀地分散在碳表面。

图1. a)优化的结构和电荷密度差异，b)计算自由能图，c)计算Ru₁-ZnFe₂O₄、Ru_n-ZnFe₂O₄、Ru_1、n（_site_）-ZnFe₂O₄和Ru_1（_site_）、n-ZnFe₂O₄的PDOS。d)Ru₁-ZnFe₂O₄、Ru_n-ZnFe₂O₄、Ru_1、n（_site_）-ZnFe₂O₄和Ru_1（_site_）、n-ZnFe₂O₄的∆G_H*和d带中心模型之间的线性关系。

图2. a)Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的制备示意图。b，c)Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的TEM图像。d-f)Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的HAADF-STEM图像和相应的强度轮廓。g)Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的EDS图谱。

图3. Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C和ZnFe₂O_x-C的a) XRD图谱，b)高分辨率XPS Fe 2p谱，c)高分辨率XPS Zn 2p谱。d)Ru K-边的XANES谱和e)Ru箔、RuO₂和Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C拟合曲线的k空间。f)Ru箔、RuO₂和Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的FT k³加权Ru k边EXAFS光谱。g)Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的EXAFS拟合曲线。h)Ru箔、RuO₂和Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的小波变换。

图4. a、c)分别在碱性条件和碱性海水介质下制备的样品的HER极化曲线。b)碱性条件和碱性海水介质中10 mA cm⁻²时过电位的比较。d)碱性条件下和碱性海水介质条件下的奈奎斯特图。e-f) Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C的i-t时间安培曲线。插入：Ru_1、n-ZnFe₂O_x-C在10 000次循环前后的LSV曲线。g)在η= 50 mV时，关于Ru或Pt原子和质量活性（基于Ru或Pt质量负载）的TOF曲线。h)在电流密度为10 mA cm⁻²时，1M氢氧化钾海水电解质中HER的过电位的直方图。

参考文献：

Qian, C.; Shao, W.; Zhang, X.; Mu, X.; Gu, X.; Yu, M.; Ma, L.; Liu, S.; Mu, S., Competitive Coordination-Pairing between Ru Clusters and Single-Atoms for Efficient Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Seawater. Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202204155