江苏科技大学，SMALL:静态HER vs.动态OER——双异质界面转化机制实现高效稳定工业级水分解

第一作者：孙晴

通讯作者：宫宏宇*，曹学成*，郑祥俊*

单位：江苏科技大学、江苏大学、山东赛克赛斯氢能源有限公司

实现“碳中和”目标，亟需发展规模化、低成本的电解水制氢技术。然而析氢反应（HER）与析氧反应（OER）对催化剂界面的微观要求存在根本性矛盾——HER期望稳定的界面与适中的氢吸附强度，而OER则往往引发催化剂表面的动态重构。传统的异质结构策略虽被寄予厚望，但大多笼统地归因于“协同效应”，未能理清HER与OER各自独立的催化机制，导致理性设计艰难。二硫化钌（RuS₂）以其类铂的HER活性和在OER条件下的结构稳定性，为解决这一难题提供了全新契机。它可作为稳定的“HER锚点”，同时为另一组分在OER过程中的定向动态重构提供稳固的界面平台，从而有望在同一个异质结上，为HER和OER分别“定制”独立的活性界面，实现双功能活性的真正解耦。

近日，江苏科技大学郑祥俊报道了一种通过均相螯合-硫化策略精准构建的RuS₂/(FeNi)S_1.03动态异质界面催化剂。该催化剂在HER和OER中展现出独特的双机制协同效应，有效解决了双功能电催化剂中界面需求矛盾的关键难题。在HER过程中，RuS₂通过静态电子调控发挥作用，界面电子转移使其Ru的d带中心下移至–1.99 eV，显著优化氢吸附自由能（ΔGH* = 0.51 eV）。而在OER过程中，(FeNi)S_1.03发生动态重构，转变为具有高OER活性的Fe-NiO氧化物，并与稳定的RuS₂形成RuS₂/Fe-NiO界面，有效降低反应能垒。因此，在工业规模AEM-WE评估中展现出超长的稳定性， 1000 mA・cm^-2电流密度下可稳定运行超 250 h，满足大规模制氢的工业寿命标准。

本研究在催化剂设计与反应机制调控方面阐明了一种HER和OER双机制的协同催化体系。通过独特的合成策略，构建了原子级混合的Ru/Fe/Ni前驱体，并成功制备了相应的异质结构催化剂。核心在于构建了具备静态 HER 与动态 OER 双机制协同作用的 RuS₂/(FeNi)S_1.03异质结构催化剂，打破了传统电催化材料在 HER 与 OER 反应中机制单一、难以兼顾双反应活性的局限。在HER过程中，

HRTEM与XRD表征结果明确证实，HER反应后的催化剂物相与初始结构相比未发生改变。这种结构稳定性为理解其高效HER活性提供了基础：它确保了异质界面处极低的晶格应变，促进了电子从RuS₂到(FeNi)S_1.03的转移。在OER条件下展现出智能的“动态”自重构行为。通过反应后的HRTEM与XRD分析，我们直接观测到(FeNi)S_1.03相选择性地转化为NiO，并稳定地附着在保持结构的RuS₂表面，形成了全新的RuS₂/Fe-NiO异质界面。这一动态重构过程是性能提升的关键：新生成的界面极大地促进了O-O键的耦合，有效降低了OER反应的决速步能垒，从而赋予了催化剂卓越的析氧活性。

本研究通过DFT计算，将异质界面的增效作用归结为“电子转移→d带调控→能垒优化”的清晰因果链，为理性设计高效界面催化材料提供了坚实的理论范式。差分电荷密度计算直观显示，电子自发地由RuS₂侧流向(FeNi)S_1.03侧，形成界面电场，为后续的电子结构调控奠定基础。态密度（PDOS）分析揭示，界面耦合导致关键参数——Ru的d带中心从-0.53 eV显著下移至-1.99 eV。这一变化直接削弱了Ru位点对氢中间体（H*）的过强吸附倾向。最终，自由能计算证实，优化后的电子结构将ΔGH从RuS₂的0.81 eV理想地调节至0.51 eV，完美解决了原催化剂对H“吸附过强”而难以脱附的关键瓶颈，从而大幅提升HER本征活性。

该研究中，RuS₂/(FeNi)S_1.03双界面协同作用使催化剂在碱性条件下具备出色双功能性能。在整体水分解测试中，10 mA·cm^-2电流密度下电池电压低至 1.68 V，海水中为 1.76 V。此外，在工业规模AEM-WE评估中展现出超长的稳定性， 1000 mA・cm^-2电流密度下可稳定运行超 250 h，满足大规模制氢的工业寿命标准。综合来看，在实际水分解应用中，RuS₂/(FeNi)S_1.03是纯贵金属催化剂经济实惠且耐用的替代品。

d-Band Optimized Hydrogen Adsorption and Dynamic Reconstruction-Accelerated Oxygen Evolution on RuS₂/(FeNi)S_1.03 Heterointerfaces for Water/Seawater Splitting