导语
随着化石能源的过度消耗导致环境持续恶化，发展低碳/零碳替代能源迫在眉睫。氢能因高热值、可持续性和零污染特性，被视为最具潜力的化石能源替代方案。利用可再生能源驱动的电化学水分解技术，可实现高效、绿色的制氢路径。然而，钌（Ru）基材料虽在析氢反应（HER）中表现出色，但贵金属的高用量与催化性能难以兼顾，严重制约其规模化应用。安徽大学李广教授和杨丽教授团队通过创新设计，解决了这一瓶颈问题。
研究亮点
安徽大学李广教授和杨丽教授团队采用焦耳热快速碳化法构建双活性位点催化剂体系，将钌单原子分别锚定于类石墨烯骨架（RuSA）和碳化钨基底（RuSAA），精准调控钌负载量（0.36–1.34 wt%），首次揭示活性位点空间距离对催化性能的核心作用。
实验表明，中等负载量（0.76 wt%）可优化活性位点间距，诱导 4.92 e⁻电荷转移并显著下移 d 带中心至 - 1.51 eV，使 *OH 脱附能垒降至 0.37 eV，最终实现碱性环境中 7 mV@10 mA/cm²的超低过电位（仅为商业铂碳催化剂的 1/4）和 32 倍质量活性提升。
该空间距离效应在铂、铱、钴等单原子体系中的普适性验证，为高性能催化剂设计提供了电子结构调控新范式。
图文解析
材料合成与结构表征
图 1 展示了 Ru - WC₁₋ₓ催化剂的合成路径与微观结构。通过焦耳热快速碳化法成功构建具有纳米花状形貌的复合材料，其碳骨架呈花瓣状卷曲结构。高分辨透射电镜（HR - TEM）证实 WC₁₋ₓ纳米颗粒（3 - 6 nm）均匀分散，晶格条纹间距 2.42 Å 对应立方相 WC₁₋ₓ(111)晶面。球差校正电镜（AC - HAADF - STEM）直接观测到 Ru 以单原子形式同时锚定在 WC₁₋ₓ 表面（RuSAA 位点）和碳骨架（RuSA 位点），元素分布图验证 W/C/N/Ru 的均匀分散。这种双活性位点设计为后续空间效应研究奠定结构基础。
图 2 通过多尺度表征揭示电子结构调控机制。XRD 谱图显示所有样品保持 WC₁₋ₓ 立方晶相，Ru(111)晶面 0.2°的正位移表明 Ru 原子掺入晶格。XPS 分析发现：① Ru 3p 谱中 462.6 eV（Ru⁰）和 465.4 eV（Ruδ⁺）双峰证实两种化学环境；② W 4f 结合能负移表明 Ru→W 的电子转移。X 射线吸收谱（XAFS）进一步揭示：① XANES 白线峰强度变化反映 Ru 原子未占据态密度随负载量增加而降低；② FT - EXAFS 中 Ru - W 键长从 0.25 - Ru 的 2.24 Å 增至 0.75 - Ru 的 2.44 Å，证明通过 Ru 负载量可精确调控活性位点间距；③ WT - EXAFS 显示高 k 值区信号增强，证实 Ru - W 相互作用随负载量增加而强化。
电化学性能与构效关系
图 3 对比了不同 Ru 负载量催化剂在碱 / 酸性 HER 中的性能。在 1M KOH 中，0.5 Ru - WC₁₋ₓ（0.76 wt% Ru）表现出最优活性：过电位仅 7 mV@10 mA/cm²，显著低于商业 Pt/C（29 mV）；Tafel 斜率 16.6 mV/dec 遵循 Volmer - Tafel 机制，表明其快速反应动力学。酸性环境（0.5M H₂SO₄）中过电位进一步降至 2 mV@10 mA/cm²。本征活性评估显示：① TOF 值在碱性达 1.84 H₂/s（ - 25 mV），为 Pt/C 的 21 倍；② 质量活性在 η = 50 mV 时为 Pt/C 的 32 倍；③ 电化学阻抗谱（EIS）显示最低电荷转移电阻（9.4 Ω），证实电子传输效率提升。
图 4 综合评估了催化剂的实用价值。雷达图显示 0.5 Ru - WC₁₋ₓ 在所有性能参数（过电位 / TOF / 塔菲尔斜率 / 质量活性）均占优。经济性分析表明其价格活性（185 A·dollar⁻¹）为 Pt/C 的 28 倍。加速耐久性测试（5000 次 CV 循环）和 100 小时恒流测试证明其卓越稳定性，XRD/XPS 表征显示循环后晶体结构与价态保持稳定。与近期文献对比，该催化剂性能处于领域领先水平。
反应机理与原位表征
图 5 通过原位拉曼光谱和理论计算揭示增强机制。原位拉曼发现：0.5 Ru - WC₁₋ₓ 在负电位下游离水比例从 2.88% 增至 11.93%，显著高于 Ru/C（2.27%）和 WC₁₋ₓ（8.94%）。这种界面水分子重定向破坏氢键网络，促进 H₂O*/OH 传输。密度泛函理论（DFT）计算表明：① RuSAA 位点主导反应，其 OH 脱附能垒（0.37 eV）远低于 RuSA 位点（1.93 eV）；② 中等间距（0.5 Ru）使能垒最低，电荷转移量最高（4.92 e⁻）；③ d 带中心下移至 - 1.51 eV 优化中间体吸附强度，降低反应能垒。
工业应用与普适性验证
图 6 展示了阴离子交换膜（AEM）电解槽性能。采用 0.5 Ru - WC₁₋ₓ 阴极的电池在 70℃、0.5 A/cm²条件下电压仅 1.73 V，能量转化效率达 75.26%，较 Pt/C 阴极提升 17%。在 1 A/cm² 工业级电流密度下稳定运行 100 小时，凸显其产业化潜力。
图 7 验证了空间调控策略的普适性。将 Ru 替换为 Pt/Ir/Co 的催化剂均表现出相同规律：① 0.5 配置的 Pt - WC₁₋ₓ 和 Ir - WC₁₋ₓ 在碱性 HER 过电位分别为 13 mV 和 8 mV；② 所有体系在中等间距时 *OH 脱附能垒最低；③ 电荷转移量（Pt:4.40 e⁻, Ir:4.30 e⁻）和 d 带中心位置与活性呈正相关，证实该机制适用于多种金属体系。
总结与展望
本研究采用焦耳热快速碳化法，在秒级时间内合成系列 Ru - WC₁₋ₓ 催化剂，突破传统碳化物高温长时合成的技术瓶颈。通过调控钌负载量精准优化活性位点空间距离，发现中等间距（0.76 wt%）可诱导 RuSA（类石墨烯锚定位点）与 RuSAA（碳化钨限域位点）间 4.92 e⁻电荷转移，显著下移 d 带中心至 - 1.51 eV（优化中间体吸附强度）并将 *OH 脱附能垒降至 0.37 eV，同步实现碱性析氢 7 mV@10 mA/cm² 的超低过电位（为商业 Pt/C 的 1/4）与 100 小时工业级电流稳定性；
该策略经 Pt/Ir/Co 体系验证具有普适性，为单原子催化剂设计建立 “空间距离 - 电子结构” 调控新范式。研究成果成功应用于阴离子交换膜电解槽，阴极在 0.5 A/cm² 电流密度下创制 1.73 V 低电压（能量效率 75.26%），其可扩展合成工艺为绿氢产业化及超快材料开发提供新路径，未来可进一步探索多元合金体系的空间效应机制，推动该理论在燃料电池、CO₂还原等能源转化场景的深度应用。
深圳中科精研专注于研发与生产高品质的焦耳加热设备，其产品凭借高精度温度控制与快速升温降温特性，广泛应用于材料合成与改性等领域。在类似钌基催化剂的制备过程中，中科精研的设备能够提供稳定且均匀的热场，确保反应条件的精确控制，从而实现材料性能的优化。无论是科研实验还是工业生产，中科精研的焦耳加热设备都能满足多样化的热处理需求，为材料科学的发展提供可靠的硬件支持，助力科研人员探索更多材料的性能与应用边界。
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