ACS Catalysis：Ru单原子-团簇催化剂在析氢催化中的结构重组：金属-载体同步动态演化机制

第一作者：杜红钢

通讯作者：黄海华*，窦玉海*，何纯挺*

单位：江西师范大学，上海理工大学大学

原子级分散电催化剂在高效低成本制氢方面展现了巨大潜力，尤其为提高贵金属利用效率开辟了新途径。此类材料中由强共价C–C/N键构建的碳载体在析氢反应（HER）过程中能够保持高度稳定，因而人们往往忽视其在外加偏压下可能发生的动态结构重构。这种基于静态/稳态的结构认识，不仅容易导致对真实活性位点的误判，也会错失对关键反应机理深入理解，从而阻碍下一代电催化剂的合理设计与开发。针对此问题，该研究团队选取典型的碳负载原子级分散钌催化剂作为模型，系统探究了其在碱性HER过程中的动态重构行为，为确立碳载体-金属协同演化在催化中的作用提供了关键信息。

近日，江西师范大学何纯挺/黄海华团队与上海理工大学窦玉海教授合作，在国际知名期刊ACS Catalysis上发表题为“Metal−Support Synchronous Dynamics of an Atomically Dispersed Ruthenium Electrocatalyst for Boosting Hydrogen Production”的研究文章。文章报道，在碱性HER中，氮掺杂碳负载的原子级分散钌催化剂并非结构保持不变，其金属位点与碳载体均会发生显著的动态结构重组。

催化剂的性能并非一开始就达到最佳，而是随着反应的进行持续增强。在10 mA·cm^-2的电流密度下，过电位从初始的113 mV显著下降至19 mV，降幅高达94 mV。这种“激活”现象在计时电位曲线中也得到印证，电位在反应约1小时后趋于稳定。重构后的催化剂展现出优异的综合性能：其质量活性和转换频率均远超商用铂碳。将其应用于阴离子交换膜电解槽中，驱动1 A·cm^-2电流密度所需的槽压仅为1.96 V，并在长期运行中表现出良好的催化稳定性。

通过高分辨电镜和X射线吸收谱等分析表明，反应前，钌以单原子和微小团簇的形式共存；反应后，单原子几乎消失，Ru团簇平均粒径从1.10 nm增大至1.80 nm。从头算分子动力学模拟揭示了这一过程的微观机制：在碱性电解质中，吸附在氮位点上的氢削弱了Ru–N键，导致单原子Ru从载体表面脱离。随后，这些游离的钌原子像经典的“奥斯瓦尔德熟化”过程一样，迁移并合并到邻近的钌团簇上，从而增大了Ru团簇的尺寸。

研究发现传统上被视为“惰性”的碳载体本身也出现了明显的重构现象。X射线光电子能谱分析显示，反应后催化剂中吡啶氮的比例从32%降至18%，而石墨氮的比例则从33%增至47%。这一转变使材料的电导率提升了一个数量级。近边X射线吸收精细结构谱进一步证实了C-N-C结构的生成。理论计算阐明了转变路径：在Ru单原子浸出后，吡啶氮位点被进一步氢化并以氨的形式溶解，随后碳原子通过氢化和扩散过程，经历一系列放热步骤最终转化为石墨氮构型。

DFT计算和原位阻抗谱分析表明，与吡啶氮载体相比，更富电子的石墨氮载体提升了钌团簇的电子密度，这有利于电子向氢转移形成氢化物，促进决速的Volmer步骤。电化学阻抗谱分析表明，结构重组主要降低了吸附电阻，加速了电极表面反应物的传输。这一“金属-载体协同动力学”的新范式，将推动对催化剂“活性起源”的更深入理解，并指导设计出更具活性和稳定性的下一代能源转换材料。

Metal-Support Synchronous Dynamics of an Atomically Dispersed Ruthenium Electrocatalyst for Boosting Hydrogen Production

何纯挺教授简介：江西师范大学化学与材料学院教授、博士生导师，国家级青年人才，氟硅能源材料与化学教育部重点实验室副主任，“分子基能源化学研究室（LMEC）”负责人。获首届江西省科学技术青年奖、首届江西青年科技奖、江西青年五四奖章、中国石油和化学工业联合会科学技术奖（基础研究）三等奖、江西省自然科学一等奖、广东省自然科学一等奖等。主要研究兴趣为面向可持续化学技术的分子基催化剂及其分子增强催化机制，相关成果已获授权发明专利13项，并在Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国内外知名期刊发表论文130余篇，论文他引14000余次，H指数为57，入选2023和2024年Clarivate全球高被引科学家、2025年全球前2%顶尖科学家榜单。

窦玉海教授简介：窦玉海教授（国际先进材料协会终身会士、《科学中国人》“年度科技人物”、“全球杰出人才团队”核心成员、澳大利亚早期职业研究员）2016年获澳大利亚伍伦贡大学博士学位，后于格里菲斯大学赵惠军院士课题组从事博士后研究。回国后随窦世学院士、刘化鹍院士全职加盟上海理工大学组建能源材料科学研究院，长期聚焦原子级超薄材料（厚度<3 nm，具高比表面积、悬挂键及特异电子结构）的可控合成、形貌调控及能源存储/转换应用（图1）。学术成就包括：① 发表一作/通讯论文39篇（SCI均IF 19.8），总发文130余篇（IF>10论文90篇），含Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等顶刊；总引9000余次，H指数46，成果被World Energy等国际媒体报道百余次；② 主持澳大利亚职业研究员、探索项目、上海市领军人才等10余项，参与外国资深学者团队试点等重点项目；③ 获荣誉奖励50余项，2025年当选国际先进材料协会终身会士（全球每年仅遴选20人左右），2024年获“年度科技人物”称号（全国仅20人入选），2025年入选全球杰出人才团队；④ 任Adv. Powder Mater.（IF 28.6）、Carbon Energy（IF 19.5）等期刊编委，参加国际会议30次（任主席/分会主席11次）；⑤ 协助窦世学院士和刘化鹍院士组建高水平科研团队，两年内推动上海理工软科世界排名从前800跃升至前400，获上海市“记功”奖章及证书，事迹获《人民日报》《新华网》等专题报道。

黄海华简介：江西师范大学化学与材料学院讲师，硕士生导师。目前研究方向聚焦于有机-无机杂化电催化剂的设计与合成，致力于推动水分解及二氧化碳还原反应的高效进行，并深入探究其催化性能增强的内在机制。以第一作者/通讯作者身份在Adv. Mater.、PNAS等知名期刊发表论文多篇，主持国家自然科学基金等项目。

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