天津理工大学安长华团队ACS Nano：界面电场介导MoO₃-Ni(OH)₂异质结稳定不饱和RuO₂₋ₓ团簇以增强宽pH析氢性能

第一作者：叶长轩

通讯作者：朱培，安长华

通讯单位：天津理工大学

论文DOI：10.1021/acsnano.5c06948

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天津理工大学安长华团队提出内置电场（BIEF）调控策略，在泡沫镍载体上构建MoO3-Ni(OH)2异质结构，成功锚定不饱和RuO2-x团簇（RuO2-x/MoO3-Ni(OH)2）。该催化剂在全pH范围析氢反应（HER）中性能表现卓越：碱性介质仅需64 mV过电位达到100 mA cm-2，并能稳定运行150 h；酸性/中性介质性能同样优于商用Pt/C。AEMWE测试仅需1.76 V实现大电流密度（0.5 A cm-2）稳定电解超过60 h。

背景介绍

钌（Ru）基催化剂因成本低、pH普适性强被视为铂有力的替代者，但还存在两大挑战性问题：

(1) Ru纳米颗粒易团聚且氧亲和力强，导致活性位点减少；

(2) 中性/碱性环境中OH⁻强吸附造成结构不可逆损伤。

传统方案：金属-载体相互作用可调控电子结构，但精准设计高效界面仍具挑战。

本文亮点

1、BIEF锚定策略：利用泡沫镍（低功函4.12 eV）→ MoO3（高功函4.29 eV）的自发电子转移构建BIEF，富电子MoO3通过静电作用捕获Ru3+离子，原位形成RuO2-x团簇（0.84wt.%负载量）；

2、电子结构双重优化：XPS/ XANES证实：BIEF诱导电荷重分布，Ru位点电子密度显著提升（平均价态+2.87），削弱OH-吸附，加速水解离动力学；

3、工业级性能突破：碱性介质（1 M KOH）：64 mV@100 mA cm-2（优于商用Pt/C），TOF值0.89 H2 s-1；酸性/中性介质100 mA cm-2：83 mV@0.5 M H2SO4、150 mV@1 M PBS；电解槽验证：RuO2-x/MoO3-Ni(OH)2 || NiFe LDH仅需1.76 V@0.5 A/cm2，持续运行60 h无衰减。

图文解析

图1：催化剂合成与结构表征

● BIEF辅助合成路径：通过构建了具有BIEF效应的NF负载MoO3载体，吸附和捕获正Ru3+离子。Ru3+通过氧化还原反应转化为RuO2-x簇，最终形成RuO2-x/MoO3-Ni(OH)2（图1a）。

● 超薄纳米片形态：TEM显示超薄纳米片及RuO2-x团簇（~4 nm）（图1b-c）。

图2：电子结构调控机制

● X射线光电子能谱：Ni/Mo往高结合能方向移动，Ru往低结合能方向移动，证实电子向Ru位点富集（图2a-c）。

● 同步辐射光谱测试：Ru-O配位数为5.3，Ru-Mo配位数为1.9，揭示RuO2-x与MoO3键合，且Ru组分的价态约为+2.87（图2d-f）。

图3：全pH电催化性能

● 全pH析氢性能：RuO2-x/MoO3-Ni(OH)2在100 mA cm-2的电流密度下，1.0 M KOH、1.0 M PBS、0.5 M H2SO4过电位分别为64、150、83 mV（图3a，d，g）。

● BIEF调控增强稳定性：构建BIEF策略进一步提高催化剂稳定性，特别是在碱性介质，在100 mA cm-2的电流密度能够稳定运行150 h（图3c，f，i）。

图4：原位阻抗测试

● 原位阻抗测试：构建BIEF有利于降低反应过程中的电阻，增强水分解活性（图4a-d）。

图5：膜电极测试

● 大电流密度测试：与NiFe LDH组装成碱性膜电极，在0.5 A cm-2的电流密度下仅需1.76 V的电压，并且能够稳定运行60 h（图5a-c）。

总结与展望

本研究通过BIEF介导的界面电子调控，解决了钌基催化剂稳定性与活性难以兼顾的难题。所开发的RuO2-x/MoO3-Ni(OH)2兼具低过电位、高稳定性、pH普适性三大优势，电解槽性能达到产业化门槛。该策略为设计高效能源转化催化剂提供了新思路，有望推动绿氢规模化制备。

文献信息

文章标题：Interfacial Electric Field-Mediated Stabilization of Unsaturated RuO2–x Clusters on MoO3–Ni(OH)2 Heterostructure for Enhanced pH-Universal Hydrogen Evolution

作者团队：Changxuan Ye, Shuang Yao, Xiong Xiao, Pei Zhu*, Wen Zhang, Xian Yang and Changhua An*

链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06948

DOI: 10.1021/acsnano.5c06948

课题组介绍

天津理工大学安长华教授团队主要从事纳米能源材料和固废能源化、肥料化及其新材料制备研究，近年来在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、ACS Catal.等期刊发表40余篇论文，授权发明专利20余件，获2023年度天津市自然科学奖二等奖。

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