亮点

1. 密度泛函理论（DFT）结果揭示了外延型钌团簇-氮化镍（cRu-Ni₃N）异质界面上对关键反应中间体优化的吸附强度，从而降低了对析氧（OER）及析氢反应（HER）的理论过电位，加快了反应动力学。

2. 利用六方密堆积型（hcp）钌（Ru）与氮化镍（Ni₃N）晶格间的高度匹配，构筑了外延型cRu-Ni₃N异质结构。

3. 得益于本征活性及反应机制的优化，所构筑的外延cRu-Ni₃N异质结构在碱性介质中展现出优异的OER/HER活性及耐久性，并在碱性全解水、海水电解及光伏-产氢系统中展示出不俗的应用潜力。

引言

氢能是重要的清洁能源形式之一，而借助可再生电力电解水制氢是获取绿氢的有力手段。但目前电解水系统受到两极反应迟缓的动力学限制，需要持续供给高电压驱动，因此需要高效的电催化剂来加速电极反应。目前， Ru基催化剂对OER和HER反应均展示出很好的催化性能，有望在电解水系统中广泛使用。但Ru易发生团聚以及电化学氧化失活现象，如何有效抑制Ru的电化学失活已成为目前研究的重点。利用强金属-载体效应（SMSI）有望解决上述问题，并进一步增强本征活性。特别是借助外延型异质结构（如hcp型Ru和Ni₃N）的强界面耦合效应来有效锚定负载金属，并调节其电子结构，以实现高效的电解水制氢催化。

文章简读

基于hcp型Ru与Ni₃N两相晶格常数的相似性，从理论与实验的双重角度对钌团簇-氮化镍异质结构间的强耦合效应及电催化活性进行深入探究。

首先，DFT计算结果表明钌团簇与氮化镍基底有效耦合后，将导致界面上的电荷密度重排，导致复合模型的电子传导能力增强。此外，由于优化的电子结构，cRu-Ni₃N模型对OER（*O → *OOH）及HER反应速率控制步骤（* → *H）的理论过电位显著降低，本征活性大大增强。

图1. cRu-Ni₃N外延异质结构的（a）差分电荷密度、（b）态密度，以及对（c）OER、（d）HER反应路径的吉布斯自由能分析。

       通过在Ni₃N纳米片阵列上锚定Ru团簇，获得了cRu-Ni₃N异质结构。利用一系列光谱学手段验证了材料物相以及界面的电子交互作用。特别是从球差电镜结果中直接观测到了在Ni₃N基底上附生的Ru团簇，从而验证了cRu-Ni₃N外延异质结构的成功构筑。

图2. （a）cRu-Ni₃N异质结构的合成示意图；cRu-Ni₃N的（b）XRD谱图、（c-d）XPS拟合分峰、（e-g）电镜表征结果。

继而对cRu-Ni₃N异质结构的电催化析氧及析氢性能进行探究。结果表明，cRu-Ni₃N在碱性介质中展示出较商业催化剂（RuO₂和Pt/C）更出色的催化活性。具体地，对OER反应而言，cRu-Ni₃N仅需226 mV的过电势即可达到20 mA cm^-2的电流密度，并展示出优异的反应动力学机制及长循环稳定性。而对HER反应而言，其仅需32 mV的过电势即可达到10 mA cm^-2电流密度。

图3. （a-c）cRu-Ni₃N异质结构的电催化OER活性、Tafel斜率、稳定性测试；（d-e）cRu-Ni₃N的HER催化性能展示。

进一步展示了cRu-Ni₃N异质结构在一系列实际电化学装置中的应用潜力，包括碱性全解水、海水电解以及光伏-产氢系统。cRu-Ni₃N电极均展示出优异的性能表现，有望成为商业催化剂的理想替代品。

图4. cRu-Ni₃N异质结构在（a-c）传统电解水、（d-f）海水电解及（g）光伏-产氢系统中的应用展示。

文章链接

Jiawei Zhu, Ruihu Lu, Wenjie Shi, Lei Gong, Ding Chen, Pengyan Wang, Lei Chen, Jinsong Wu, Shichun Mu*, and Yan Zhao*. Epitaxially Grown Ru Clusters-Nickel Nitride Heterostructure Advances Water Electrolysis Kinetics in Alkaline and Seawater Media. Energy Environ. Mater. 2022. DOI: 10.1002/eem2.12318

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12318

作者简介