材料研究前沿 2025年04月26日 19:53陜西
在能源轉型與可持續發展的大背景下，氫能因其高能量密度與環境友好性，被視為未來能源體系的關鍵組成部分。電解水作為獲取綠氫的重要技術途徑，其核心在于高效的氫進化反應（HER）催化劑。當前，鉑（Pt）基催化劑雖性能卓越，但高昂的成本與稀缺性嚴重制約了氫能源的大規模應用。因此，開發低成本、高性能的非鉑催化劑成為科研領域的迫切任務。
在這一關鍵領域，武漢理工大學的科研團隊取得了突破性進展。他們創新性地構建了一種由正交晶系和立方晶系釕碲化合物（RuTe2）組成的異質同質結結構（記為m-RuTe2）。這一獨特設計利用兩相間的工作函數差異，成功誘導形成了內建電場。該內建電場不僅驅動了電子轉移與電荷重新分布，更優化了催化劑對活性中間體的吸附行為，從而顯著提升了HER催化活性。實驗結果顯示，m-RuTe2在實現10 mA cm-2電流密度時，僅需35 mV的過電位，這一性能不僅超越了單相RuTe2（正交晶系RuTe2需62.3 mV，立方晶系RuTe2需164.3 mV），更在堿性條件下優于商業鉑催化劑。
這種卓越的催化性能源于內建電場對電子結構的調控。DFT理論計算揭示，正交晶系與立方晶系RuTe?間顯著的工作函數差異，使得電子從正交晶系向立方晶系轉移，形成了有利于電荷平衡的電荷分布。這種電荷轉移與重新分布，使得m-RuTe2的d帶中心位置介于兩種單相RuTe2之間，從而實現了對氫吸附能力的優化。與過強吸附的正交晶系和過弱吸附的立方晶系相比，m-RuTe2展現出了適中的氫吸附能力，極大降低了水解離的能壘，使氫吸附自由能（ΔGH*）更接近0 eV，為高效的HER催化反應創造了理想條件。
除了突出的催化活性，m-RuTe2還展現出令人印象深刻的穩定性。實驗表明，在經過20小時的連續催化反應后，m-RuTe2的電流密度保持率高達91%。即使在經歷2000次加速穩定性測試循環后，其過電位僅增加了2 mV，遠低于單相RuTe2。這種穩定性優勢可歸因于異質同質結結構中Ru與Te之間的強耦合效應，這種效應有效抑制了Ru活性位點的溶解，確保了催化劑在長時間運行中的結構完整性。不僅如此，m-RuTe2在整體水分解反應中同樣表現出色。在與商業RuO2組成的電解水系統中，m-RuTe2//RuO2組合在2.28 V的電壓下即可達到1000 mA cm-2的電流密度，優于商業Pt/C//RuO2所需的2.36 V。并且在100小時的穩定性測試中，電流密度保持率達到了81%，接近100%的法拉第效率，顯示出接近理論最大值的卓越性能。
武漢理工大學團隊通過巧妙設計RuTe2異質同質結結構，成功開發出一種兼具高活性與高穩定性的新型HER催化劑。這一成果不僅為非鉑催化劑的設計與開發提供了全新的思路，更為未來電解水制氫的大規模應用鋪就了一條極具潛力的創新之路。可以預見，這種基于內建電場調控的異質同質結策略，將在更廣泛的能源轉換與存儲領域引發深入的探索與研究。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125409