超快焦耳热合成技术：西安工业大学的潘洪革教授、戚甫来等采用超快闪蒸焦耳热合成技术，成功将Ru纳米颗粒均匀分散在WC/W2C异质结构上，实现了Ru与WC/W2C的紧密结合。
显著的电荷积累和迁移：通过实验和理论计算，研究人员发现Ru与WC/W2C异质结构之间存在显著的电荷积累和迁移现象，这种界面电子结构的调节显著优化了氢中间体（H*）的吸附和解吸能力，从而增强了HER活性。
卓越的催化性能：仅需极少量的Ru，所制备的Ru-WxC/CC催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下展现出31 mV的低过电位，在1 A cm⁻²电流密度下过电位仅为288 mV。此外，该催化剂在10 mA cm⁻²下运行超过500小时，表现出卓越的稳定性，几乎没有性能衰减。
图1：超快闪蒸焦耳热合成技术制备Ru-WxC/CC催化剂的过程
过程示意图：首先，将碳布（CC）在65%的硝酸溶液中处理以增加表面亲水性，随后浸泡在聚乙撑亚胺（PEI）溶液中，使碳布表面带正电荷。接着，将含有磷钨酸阴离子（PW123⁻）和Ru³⁺的乙醇溶液吸附到碳布表面，利用PW123⁻的负电荷与碳布表面的正电荷相互作用，实现对Ru³⁺的吸附和稳定。最后，通过超快闪蒸焦耳热加热（在真空环境中快速升温至1650°C，持续100毫秒），将PW123⁻转化为WxC，同时将Ru³⁺还原为金属Ru。
焦耳热反应装置：图1b展示了焦耳热反应装置的示意图，通过铜板将电流引入碳布，利用焦耳热效应快速升温。图1c则展示了在10次加热脉冲下，每次100毫秒的加热过程中温度的均匀分布，确保了反应的稳定性和均匀性。
图2：Ru-WxC/CC催化剂的形貌和结构表征
SEM和TEM图像：图2a和b的SEM图像显示，Ru-WxC/CC在碳纤维上呈现出均匀的纳米岛状结构，而单纯的Ru/CC则呈现出不同的形态，其纳米颗粒呈球形分布在碳纤维表面。高分辨率的TEM图像（图2d）进一步确认了Ru、WC和W2C三相的存在，其对应的晶面间距分别为0.203纳米（Ru的（002）面）、0.259纳米（WC的（100）面）和0.173纳米（W2C的（102）面）。选区电子衍射（SAED）图谱（图2e）也证实了这些相的存在。
元素分布图：图2f的元素分布图表明，Ru-WxC/CC主要由W、C和O元素组成，还含有少量的Ru，这进一步证实了三相异质结构的成功构建。
图3：催化剂的晶体结构和组成确认
XRD图谱：图3a显示，Ru-WxC/CC中存在WC和W2C两个相的特征衍射峰，分别对应于WC的（001）、（100）和（101）面，以及W2C的（110）、（-1-11）和（102）面。此外，还观察到Ru的三个特征衍射峰，分别对应于（100）、（002）和（101）面。
拉曼光谱：图3b中，位于698厘米⁻¹和861厘米⁻¹的峰归因于W-C的伸缩振动模式，证实了WxC相的形成。位于625厘米⁻¹的弱峰可能与Ru的引入有关。
图4：Ru-WxC/CC催化剂的析氢反应（HER）性能
LSV曲线：图4a表明，Ru-WxC/CC在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位仅为31毫伏，与商业20% Pt/C催化剂相当。在1 A cm⁻²的高电流密度下，过电位为288毫伏。
塔菲尔曲线和EIS测试：图4b的塔菲尔斜率显著降低至43.15毫伏/十年，表明其HER动力学更快。电化学阻抗谱（EIS）测试（图4d）显示，Ru-WxC/CC的电荷转移阻抗仅为10.3欧姆，远低于WxC/CC和Ru/CC。
图5：Ru-WxC/CC的整体水分解性能评估
双电极系统设置：图5a展示了双电极系统中整体水分解的实验设置，其中Ru-WxC/CC作为阴极，RuWOx/CC作为阳极。与采用商业Pt/C和RuWOx/CC的对比电池相比，Ru-WxC/CC || RuWOx/CC电池在1000 mA cm⁻²的电流密度下展现出更高的电池电压（2.09伏特）。
稳定性测试：图5c的稳定性测试表明，Ru-WxC/CC || RuWOx/CC电池在10 mA cm⁻²的电流密度下运行超过500小时，电压仅增加了100毫伏，保持了初始电压的99.3%。
图6：DFT计算揭示HER性能提升机理
模型构建与电荷分析：图6a展示了构建的Ru（002）-WC（100）/W2C（102）模型。图6b的差分电荷密度图显示，在Ru-WC/W2C异质结构界面处存在明显的电荷积累和迁移。图6c的Bader电荷分析进一步证实了这种电荷转移。
态密度与能量障碍：图6d的部分态密度（PDOS）图表明，Ru-WC/W2C异质结构中Ru的d带中心下移至-2.94电子伏特，优化了电子结构。图6e和f的能量障碍图表明，该异质结构降低了水的解离能垒（ΔGH2O*）和氢的吸附能垒（ΔGH*），从而优化了氢中间体的吸附/解吸能力。
本研究成功开发了一种基于超快闪蒸焦耳热合成技术的Ru-WxC/CC异质结构催化剂，实现了Ru纳米颗粒在WC/W2C异质界面的均匀分散。通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Ru与WxC之间的电子相互作用能够显著优化氢中间体（H*）的吸附/解吸能力以及水（H₂O）的解离过程。这种协同效应使得催化剂在酸性介质中的析氢反应（HER）展现出卓越的活性，仅需31毫伏的低过电位即可在10毫安/平方厘米的电流密度下实现高效催化，即使在1安培/平方厘米的高电流密度下，过电位也仅为288毫伏。此外，该催化剂在10毫安/平方厘米的条件下展现出超过500小时的卓越稳定性，适用于整体水分解过程。
未来的研究方向可以进一步探索不同金属与碳化物组合的异质结构，以实现更高效的能源转换和更广泛的实际应用。深圳中科精研科技有限公司在超快高温焦耳热冲击技术领域拥有先进的设备和技术，能够为催化剂的合成提供高效、精准的解决方案，助力科研人员在催化剂研发中取得更多突破。
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