陈少伟Adv. Sci.: 负载Ru-RuO2异质结，用于高效催化水分解

氢是一种独特的能量载体，可以通过水分解来储存间歇性的太阳能、风能和化学能。水分解涉及阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，两者都需要有效的催化剂，以实现足够高的能量转换效率。先前的研究主要集中在HER或OER半反应的催化剂上，而对双功能催化剂的研究仍然很少。因此，开发高性能双功能催化剂已被认为是水分解成功实施和发展的关键步骤。目前，Pt和IrO2纳米粒子分别是HER和OER的基准电催化剂。然而，有限的丰度和高昂的成本极大地限制了它们的广泛应用。相对廉价的贵金属Ru显示出良好的电催化性能，已经成为Pt和IrO2有前途的替代品。

近日，加州大学圣克鲁兹分校陈少伟课题组以Ru(acac)3为原料，在可控感应电流下用磁感应加热(MIH)策略快速加热10秒，制备了Ru-RuO2/C异质结构纳米复合材料，并将其用作高效的双功能电解水催化剂。在低电流(例如200 A)下，Ru(acac)3的热分解不足导致产生大部分非晶Ru基团簇，而在较高的MIH电流下，样品具有Ru和RuO2纳米颗粒密切接触的混合结构。结果表明，最优的Ru-RuO2/C-300 A催化剂具有最高的金属Ru和Ru4+含量，在碱性条件下达到10 mA cm-2电流密度所需的HER和OER过电位分别为31和240 mV。此外，该催化剂还表现出优异的稳定性，这可以归因于Ru-RuO2界面上的强电子相互作用，它稳定了活性中心，减轻了苛刻反应条件下的降解。

基于Ru-RuO2/C-300 A的电解槽仅需1.43 V的低电池电压就能达到10 mA cm-2的电流密度，比相同条件下的商业20% Pt/CǀǀRuO2/C低160 mV。系统的表征结果表明，在HER过程中，Ru-RuO2界面的氢吸附自由能略有减少，促进了最佳的氢吸附和解吸；而对于OER，Ru-RuO2界面优化了氧中间体的吸附，并降低了形成*OOH中间体的能垒。此外，Ru中心的最佳电子密度可以促进这种相互作用，从而增强界面上的电荷重分布和电子转移，进一步提升反应活性。综上，该项工作强调了Ru-RuO2异质结构作为高效、稳定的电化学水分解双功能电催化剂的独特潜力，为可持续制氢提供了一条有前途的途径。

Rapid synthesis of carbon-supported Ru-RuO2 heterostructures for efficient electrochemical water splitting. Advanced Science, 2025.DOI: 10.1002/advs.202414534