青岛科大AM：工业级电解水制氢的高效催化剂，原位生长的RuNi合金/ZrNiNx

碱性水电解是绿色制氢的关键技术，但面临着电流密度有限和能量输入高等关键挑战。过渡金属氮化物 (TMN) 由于其出色的物理化学性质，已成为水分解的有前途的电催化剂。但其有限的水解离能力和活性位点暴露不足，导致其在碱性 HER 应用中的表现不理想。通过引入第二种金属而合成的双金属氮化物可提高电导率并提供更多的表面活性位点，是调节物理和化学性质的有效手段。最近的机理研究表明，高价过渡金属（如 Ce ⁴⁺ 、 Cr ³⁺ 、 V ⁵⁺ ）的引入会在基质内引起电子的显著重新分布，从而有效调节反应中间体的吸附能。锆作为掺杂候选物具有独特的优势：它的多价特性（ +2 、 +3 、 +4 ）使其能够进行灵活的电子调控，而热力学稳定的 Zr ⁴⁺ 态有利于强的金属 - 载体相互作用，从而增强基质晶格的本征活性。因此，将 Zr 偶联到 Ni ₃ N 中制备双金属氮化物，可以突破单一金属氮化物的局限性，大大提高催化性能。

通过整合两种具有高晶格兼容性的不同材料相，可以设计出具有增强电子传输效率的外延异质结构。这种战略设计有效地减轻了由晶格失配引起的电子传输障碍，同时能够精确调节电子态并优化反应中间体的吸附。 Ni ₃ N 与金属 Ru 表现出极好的晶格相干性，晶体学分析表明它们具有匹配良好的平面，包括 Ru(002)/Ni ₃ N(002) 和 Ru(100)/Ni ₃ N(110) 。这种卓越的晶格兼容性有利于形成具有精确控制界面结构的高质量外延异质结构。所得到的架构具有双重优势： 1) 通过空间限制有效稳定 Ru 为超细团簇，防止热 / 电化学团聚； 2) 产生强界面电子耦合，从而驱动异质结边界处的电荷显著重新分布。这些协同效应通过优化结构稳定性和电子环境共同增强了材料的电催化性能。

青岛科技大学秦清教授、刘希恩教授、刘尚果副教授、韩国蔚山科学技术院 JaephilCho 教授等研究人员 通过氨解条件下的原位外延生长开发了 一种异质结构双金属氮化物负载的 RuNi 合金 (RuNi/ZrNiN _x ) ，在 1 m KOH 电解质中实现了氢析出反应 (HER) 和氧析出反应 (OER) 的优异双功能活性和耐久性。 RuNi/ZrNiN _x 在过电位为 392.8 mV 时表现出 - 2 A cm ^-2 的 HER 电流密度，在 - 500 mA cm ^-2 下连续电解 1000 小时 后仍能保持初始过电位。对于 OER ，它在 1.822 V 相对于 RHE 时提供 2 A cm ^-2 的电流密度，并在 500 mA cm ^-2 下维持稳定运行 705 小时 。实验和理论研究表明，电荷重分布引起的高价态 Zr 中心有效地极化了 H-O 键并促进了水的解离，而电子缺乏的界面 Ru 位点优化了氢解吸动力学。 NiN _x 中 Zr 位点到相邻三配位 Ni 空心位点的动态 OH 溢出促进了 *OH 中间体的快速解吸和活性位点再生。 NiN _x 中靠近 Zr 原子的三配位 Ni 空心位点对含氧中间体的吸附强度具有定制性，从而为 O ₂ 的生成提供了更有利的能量途径。

相关研究成果2025年3月7日以“ In Situ Grown RuNi Alloy on ZrNiN _x as a Bifunctional Electrocatalyst Boosts Industrial Water Splitting ”为题发表在 Advanced Materials 上。

创新的催化剂设计 ：开发了一种新型的 ZrNiN _x 负载 RuNi 合金异质结构，通过原位外延生长方法制备，实现了高效的电荷转移和优异的催化性能。

优异的双功能催化性能 ： RuNi/ZrNiN _x 在碱性介质中展现了卓越的 HER 和 OER 性能，能够在工业级电流密度下稳定运行，具有极高的应用潜力。

优异的稳定性和耐用性 ： RuNi/ZrNiN _x 在长期运行中表现出优异的稳定性，无论是 HER 还是 OER 测试，均能保持高性能，这对于实际应用中的催化剂至关重要。

电荷再分布与协同效应 ：通过电荷再分布生成的高氧化态 Zr 中心和电子亏损的 Ru 位点，协同促进了水解离和氢脱附，显著提高了催化反应的效率。