與鉑催化劑相比，釕(Ru)具有相似的氫吸附能和相對(duì)較低的水分解能壘，被認(rèn)為是堿水電解的一種有前途的替代品。然而，在堿性介質(zhì)中，釕(Ru)在水分解過(guò)程中的Volmer步驟緩慢，阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。

近日，四川大學(xué)趙長(zhǎng)生、李爽和馬田等通過(guò)在納米碳載體上組裝并熱解層疊式和二維卟啉基Ru-N配位聚合物，成功制備出具有N-配位的Ru納米簇基催化劑Ru nc-N_x-T (T=500、600、700 °C)。

研究人員采用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極(RDE)評(píng)估了催化劑在1.0 M KOH中的HER活性。用極化曲線(xiàn)評(píng)價(jià)了所有合成催化劑的活性。沒(méi)有Ru nc-N_x配位結(jié)構(gòu)的Ru nc-C_x-600催化劑在10 mA cm^-2電流密度下過(guò)電位為120 mV，而具有N-配位的Ru nc-N_x-600的過(guò)電位僅為17 mV。

Ru nc-N_x-600催化劑的Tafel斜率為32.6 mV dec^-1，遠(yuǎn)低于Ru nc-C_x-600(93.6 mV dec^-1)。

此外，Ru nc-N_x-600催化劑(2.709 mA cm^-2)的交換電流密度(j₀)比Ru nc-C_x-600(0.594 mA cm^-2)高約4.6倍，這進(jìn)一步證實(shí)了其在堿性介質(zhì)中優(yōu)異的內(nèi)在HER活性。

電子結(jié)構(gòu)分析表明，在Ru nc-N_x結(jié)構(gòu)中存在著明顯的從Ru到N原子的局域電子轉(zhuǎn)移，從而在Ru nc-N_x的d帶中提供了更多的空軌道。

理論計(jì)算還表明，Ru nc-N_x位點(diǎn)增強(qiáng)了水的親核進(jìn)攻，削弱了H?OH鍵，最終產(chǎn)生了更好的堿性HER動(dòng)力學(xué)。

總的來(lái)說(shuō)，本研究表明，對(duì)釕納米團(tuán)簇的鍵環(huán)境進(jìn)行調(diào)控可以對(duì)貴金屬的固有催化活性、過(guò)程和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，為開(kāi)發(fā)高活性、耐用的水電解催化劑以及其他催化反應(yīng)開(kāi)辟了新的途徑。

Modulating Electronic Environment of Ru Nanoclusters via Local Charge Transfer for Accelerating Alkaline Water Electrolysis. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202204738