以綠色和可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解水制氫為緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)間歇性能源大規(guī)模儲(chǔ)存提供了一條有前景的途徑。開(kāi)發(fā)高效、高活性、高穩(wěn)定性的析氫催化劑是電解水制氫的關(guān)鍵。目前，鉑基電催化劑是析氫性能最為優(yōu)異的催化劑，然而由于鉑基電催化劑價(jià)格極高，且元素含量較低，不利于大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。根據(jù)之前的研究，Ru基材料的析氫反應(yīng)(HER)性能可能與Pt相當(dāng)，并且Ru的價(jià)格僅為Pt的1/3。因此，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和調(diào)節(jié)Ru-H的結(jié)合能，提高Ru基催化劑的HER性能具有重要意義。

基于此，上?？萍即髮W(xué)林柏霖等人通過(guò)簡(jiǎn)單的微波合成方法制備了一系列具有多活性位點(diǎn)的NiRu雙金屬催化劑，并通過(guò)調(diào)控Ni/Ru的比例優(yōu)化了催化劑的HER性能。

本文研究了Ni/Ru金屬比對(duì)多活性位點(diǎn)Ni_xRu_y/C催化劑電化學(xué)性能的影響。本文采用三電極體系，在飽和N₂的1 M KOH溶液中測(cè)試了制備的催化劑的電化學(xué)性能。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)Ni/Ru比為1:1時(shí)，HER的催化性能最佳，在電流密度為10 mA cm^-2時(shí)，Ni₁Ru₁/C的過(guò)電位僅為13 mV，與商業(yè)Pt/C(11 mV)接近，并且同時(shí)小于Ni₂Ru₁/C(16 mV)和Ni₁Ru₂/C(15 mV)。

令人驚訝的是，在大電流密度(大于500 mA cm^-2)下，Ni₁Ru₁/C甚至比Pt/C表現(xiàn)出更好的HER活性。以上結(jié)果表明，引入Ni后，催化劑的HER性能得到了顯著的提高，說(shuō)明Ni對(duì)提高HER的催化性能的重要性。

為了探究RuO₂/NiRu界面對(duì)催化劑性能的影響，本文基于密度泛函理論(DFT)計(jì)算了催化劑的氫吸附吉布斯自由能(△G_H*)，這是描述催化劑HER性能的重要參數(shù)。DFT計(jì)算結(jié)果表明，與NiO(1.047 eV)、RuO₂(-0.772 eV)和NiRu合金(-0.422 eV)相比，RuO₂/NiRu異質(zhì)界面上的△G_H*(-0.240 eV)更接近于零，這表明RuO₂/NiRu異質(zhì)界面的形成能夠調(diào)節(jié)氫吸附強(qiáng)度，從而改善Ni₁Ru₁/C的HER性能。

此外，PDOS分析表明，RuO₂/NiRu界面的d帶中心下移遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，這與催化劑的H吸附能減弱相一致。此外，RuO₂可能發(fā)揮了增強(qiáng)^*OH吸附的重要作用，有利于促進(jìn)Volmer步驟。結(jié)合減弱的^*H吸附和增強(qiáng)的^*OH吸附，可以得出一個(gè)合理的假設(shè)，NiRu和RuO₂之間的界面協(xié)同作用可能會(huì)促進(jìn)HER活性。

總之，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究可以得知，更快的電子傳遞過(guò)程、更多的活性位點(diǎn)以及NiRu/RuO₂異質(zhì)界面的存在共同促進(jìn)了催化劑HER性能的提高。本文的研究結(jié)果為設(shè)計(jì)復(fù)合HER催化劑提供了一定的思路。

RuO₂/NiRu Heterojunction Optimizes d-band Center of Ni?Ru Catalyst for High-Performance Alkaline Hydrogen Evolution Reaction, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09660a.

https://doi.org/10.1039/D2TA09660A.