材料研究前沿 2025年04月26日 19:53陕西
在能源转型与可持续发展的大背景下，氢能因其高能量密度与环境友好性，被视为未来能源体系的关键组成部分。电解水作为获取绿氢的重要技术途径，其核心在于高效的氢进化反应（HER）催化剂。当前，铂（Pt）基催化剂虽性能卓越，但高昂的成本与稀缺性严重制约了氢能源的大规模应用。因此，开发低成本、高性能的非铂催化剂成为科研领域的迫切任务。
在这一关键领域，武汉理工大学的科研团队取得了突破性进展。他们创新性地构建了一种由正交晶系和立方晶系钌碲化合物（RuTe2）组成的异质同质结结构（记为m-RuTe2）。这一独特设计利用两相间的工作函数差异，成功诱导形成了内建电场。该内建电场不仅驱动了电子转移与电荷重新分布，更优化了催化剂对活性中间体的吸附行为，从而显著提升了HER催化活性。实验结果显示，m-RuTe2在实现10 mA cm-2电流密度时，仅需35 mV的过电位，这一性能不仅超越了单相RuTe2（正交晶系RuTe2需62.3 mV，立方晶系RuTe2需164.3 mV），更在碱性条件下优于商业铂催化剂。
这种卓越的催化性能源于内建电场对电子结构的调控。DFT理论计算揭示，正交晶系与立方晶系RuTe?间显著的工作函数差异，使得电子从正交晶系向立方晶系转移，形成了有利于电荷平衡的电荷分布。这种电荷转移与重新分布，使得m-RuTe2的d带中心位置介于两种单相RuTe2之间，从而实现了对氢吸附能力的优化。与过强吸附的正交晶系和过弱吸附的立方晶系相比，m-RuTe2展现出了适中的氢吸附能力，极大降低了水解离的能垒，使氢吸附自由能（ΔGH*）更接近0 eV，为高效的HER催化反应创造了理想条件。
除了突出的催化活性，m-RuTe2还展现出令人印象深刻的稳定性。实验表明，在经过20小时的连续催化反应后，m-RuTe2的电流密度保持率高达91%。即使在经历2000次加速稳定性测试循环后，其过电位仅增加了2 mV，远低于单相RuTe2。这种稳定性优势可归因于异质同质结结构中Ru与Te之间的强耦合效应，这种效应有效抑制了Ru活性位点的溶解，确保了催化剂在长时间运行中的结构完整性。不仅如此，m-RuTe2在整体水分解反应中同样表现出色。在与商业RuO2组成的电解水系统中，m-RuTe2//RuO2组合在2.28 V的电压下即可达到1000 mA cm-2的电流密度，优于商业Pt/C//RuO2所需的2.36 V。并且在100小时的稳定性测试中，电流密度保持率达到了81%，接近100%的法拉第效率，显示出接近理论最大值的卓越性能。
武汉理工大学团队通过巧妙设计RuTe2异质同质结结构，成功开发出一种兼具高活性与高稳定性的新型HER催化剂。这一成果不仅为非铂催化剂的设计与开发提供了全新的思路，更为未来电解水制氢的大规模应用铺就了一条极具潜力的创新之路。可以预见，这种基于内建电场调控的异质同质结策略，将在更广泛的能源转换与存储领域引发深入的探索与研究。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125409