▲第一作者：刘洁
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125030
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近日，青岛科技大学王磊课题组杜云梅团队于国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy发表了题为“Ru-triggered domino effect constructs a local acid-like environment to achieve the ampere-level current density of a/c-Ru-FeP/IF electrode for alkaline HER”的研究论文。该研究巧妙地利用钌掺杂剂触发的多米诺效应及独特的双活性位点机制，成功在碱性HER构建中了局部类酸性环境，以实现a/c-Ru-FeP/IF催化剂的安培级电流密度。此外，实验及理论计算结果进一步揭示了Ru掺杂剂对催化剂形貌及电子结构的影响，阐述了催化剂性能提升的内在原因。
析氢反应
(HER)
不仅是一种具有广阔应用前景的新型清洁能源技术，而且可以有效地减少人们对化石燃料的过度依赖。其中碱性
HER
在工业应用中占有重要地位，因为它可以有效地避免酸性
HER
成本高、稳定性差、工作环境腐蚀性强、负离子/阳离子交换膜昂贵等问题。值得注意的是，
HER
动力学非常依赖于
pH
值。碱性
HER
需要消耗额外的能量来驱动
Volmer
步骤，导致反应速率通常比酸性
HER
低
2-3
个数量级。
HER
的动力学与电极材料的性质和电解质-催化剂界面催化部位附近的局部反应微环境密切相关。因此，采用适当的方法，通过各种不同的物理化学相互作用最大程度地创造局部类酸性环境是加速碱性
HER
动力学的重要途径。
(1)本研究通过
Ru
掺杂剂的引入巧妙地将多米诺效应这一概念应用于电催化领域。
(2)
Ru
掺杂剂通过给电子增加了界面处
Fe@a/c
位点上吸附
H
2
O
中
O-H
键的长度。
(3)位于界面处独特的
Fe@a/c
和
Ru@a/c
双活性位点共同加速了碱性电解质中
Volmer-Tafel
机制。
(4)游离的
H*
转移到位于界面处的
Ru@a/c
位点上成功构建了局部类酸性环境。
(5)在碱性
HER
中，
a/c-Ru-FeP/IF
仅需
189 mV
即可获得
1 A cm
-2
的安培级电流密度并具有优异的稳定性。
图
1
对
a/c-Ru-FeP/IF
和
a/c-FeP/IF
的理论计算
图
2
对
a/c-Ru-FeP/IF
和
a/c-FeP/IF
的形貌表征
图
3
对
a/c-Ru-FeP/IF
和
a/c-FeP/IF
的电子结构表征
图
4
对
a/c-Ru-FeP/IF
和
a/c-FeP/IF
的原位表征
图
5
对
a/c-Ru-FeP/IF
及相关对比材料的性能表征
综上所述，在充分考虑异金属原子的电子相互作用的基础上，通过原子级调控在碱性电解质中构建局部类酸性环境和高效的
Volmer-Tafel
机制，最终实现碱性
HER
性能的宏观优化。具体来说，通过“快速燃烧-气体磷化”法，创新地构建了具有
Ru
触发多米诺效应的
a/c-Ru-FeP/IF
电极。位于界面处
Fe@a/c
位点上
H
2
O
中增长的
O-H
键更容易断裂，解离的
H
转移至位于界面处的
Ru@a/c
位点。独特的双活性位点机制分别负责
H
2
O
吸附和
H
2
解析，更有利于局部类酸性环境的构建。使
a/c-Ru-FeP/IF
催化剂在
180 mV
的碱性
HER
中可以达到
1 A cm
-2
的工业级电流密度，并且可以保持长达
100
小时的稳定性。本研究通过引入单个元素来触发电极的多米诺效应，为优化碱性
HER
中的局部反应环境和反应动力学提供了新的思路
杜云梅，现任职于青岛科技大学特聘副教授、硕士生导师。研究方向为电催化能源转化。独立主持国家级、省部级、市厅级项目共计
4
项，参与国家基金面上项目
4
项，授权国内外发明专利
6
项。并以第一作者或者通讯作者身份在I
nfoMat, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J.,
中国催化学报等国际期刊上发表
SCI
论文
30
余篇。
王磊，教授，山东省杰青，博士生导师，
2006
年于吉林大学获无机化学博士学位。长期从事无机微纳米材料的可控合成及其在绿色能源等相关领域的应用，已在
Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Cent. Sci
，
Appl. Catal. B: Environ., Science China Chem.
，中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表
SCI
论文四百余篇,其中通讯作者影响因子大于
10.0
的论文
190
余篇。作为第一完成人获中国石油和化学工业联合会科技进步奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖等奖励。
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