天津理工大学安长华&朱培等：内置界面电场自支撑钌-氢氧化镍及其加速析氢反应研究
2025-11-25 17:41:59
作者：中国科学材料 来源：中国科学材料
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在碱性析氢反应（HER）中，缓慢的水解离动力学阻碍了其实际应用。
近日，天津理工大学安长华教授和朱培博士等人在Science China Materials发表研究论文，通过原位电化学置换策略，合成了一类具有异质结构的电催化剂。
本文要点
1) 该催化剂的特点是在泡沫镍（NF）上形成了Ru-Ni(OH)2界面，并且具有内建电场（BIEF）效应。2) 在碱性HER条件下，当电流密度达到10 mA cm−2时，Ru-Ni(OH)2/NF展现出了仅为9.6 mV的过电势，性能超越了大多数已报道的催化剂和商用Pt/C。而且，在100 mA cm−2的电流密度下，它对肼氧化反应（HzOR）也显示出优异的催化性能，其氧化电位仅约为0.015 V vs. RHE。
3) 在集成HER和肼氧化反应的全水合肼电解系统（OHzS）中，也仅需约0.09 V的电压就达到50 mA cm−2，相较于相应的水分解（OWS），电压降低了1.637 V。4) 经综合研究和理论计算分析可知，BIEF诱导了Ru界面的电子重新分配，促进了H2O的解离以及中间产物的转化，进而实现了超高的电催化性能。本项工作为设计和制备电场介导催化剂以及实现可持续能源转化提供了一条有效途径。Figure 1. (a) Schematic illustration for the preparation of Ru-Ni(OH)2/NF. (b) XRD pattern, (c) SEM image, (d) AFM image, (e, f) HRTEM images with SAED pattern, and (g) elemental mappings of Ru-Ni(OH)2/NF.Figure 2. Electrocatalytic HER performance evaluations. (a) LSV curves. (b) Potentials at 10, 100, and 200 mA cm−2 for Ru-Ni(OH)2/NF, Ni(OH)2/NF, NF, and Pt/C. (c) Tafel plots, (d) EIS Nyquist plots, and (e) Cdl of Ru-Ni(OH)2/NF, Ni(OH)2/NF, and NF. (f) i-t curve of Ru-Ni(OH)2/NF at 100 mA cm−2. (g) Performance comparisons of Ru-Ni(OH)2/NF with reported catalysts.Figure 3. (a) The PDOS of Ru-Ni(OH)2 and Ni(OH)2 with aligned Fermi levels. (b) The orbital alignment of the surficial sites for Ru-Ni(OH)2 binding with H2O. (c) The energy barriers of water dissociation kinetics, and (d) the relative energy diagram of H2O adsorption and dissociation path on the Ru-Ni(OH)2 and Ru (100).Figure 4. (a) LSV curves of Ru-Ni(OH)2/NF and Pt/C for HER/HzOR system. Schematic illustration (b) and corresponding LSV curves (c) for the two-electrode electrolyzer based on OHzS. (d) The LSV curves of Ru-Ni(OH)2/NF for OWS and OHzS. (e) Comparisons of the cell voltages at 50, 100, 200 and 500 mA cm−2 for OWS and OHzS. (f) i-t curve of Ru-Ni(OH)2/NF for OHzS.
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