哈工大/北大Adv. Mater.：MgOx和MoOy协同促进水分解加速Ru非晶金属烯电解水析氢

第一作者：田奋扬，耿硕

通讯作者：于永生*，杨微微*，郭少军*

单位：哈尔滨工业大学，北京大学

电解水制氢是一种可持续的清洁能源生产方案，而碱性水电解对阳极材料稳定性的要求相对宽松，因此受到越来越多的关注。在碱性HER电催化中，水分解过程通常是速率决定步骤，因此提高水分解效率对于提升整体反应性能至关重要。钌（Ru）作为相对低成本的催化剂，在碱性HER中表现出良好的活性，但其弱的亲水性限制了反应效率。引入亲氧的物种可以增强水分子的活化和分解，但目前的研究仍存在不足。

Ru基催化剂在电催化析氢反应（HER）中具有良好的应用前景，但其弱的水吸附能力限制了水分解和传质效率。在此研究中，作者通过简单的盐模板法在非晶Ru金属烯上引入亲氧的Mg和Mo位点，协同促进了水吸附和分解，从而显著增强了碱性HER电催化性能。实验结果表明，MgO_x和MoO_y的引入使Ru金属烯的HER质量活性在100 mV电位下提高了15.3倍，并且具有超低的过电位8.5 mV。基于MgO_x/MoO_y-Ru的阴离子交换膜水电解槽在1.55 V下即可实现100 mA cm⁻²的电流密度，并且在500 mA cm⁻²的电流密度下表现出超过60小时的稳定性。原位光谱和理论模拟揭示了MgO_x和MoO_y的协同作用，Mg位点增强水分子吸附，Mo位点降低水分解能垒。

图1.非晶Ru金属烯表面MgO_x/MoO_y协同促进电解水析氢的反应机制。

该研究采用简单的盐模板法一步合成了MgO_x/MoO_y-Ru非晶金属烯。通过在空气中低温煅烧乙酰丙酮钌和溴化钾的混合物，实现超薄非晶Ru金属烯的克级制备。PXRD、HAADF-STEM、AFM等的表征结果证实了材料的非晶结构和超薄特性。HAADF-STEM图像显示MgO_x/MoO_y-Ru金属烯表现为超薄且弯曲的纳米片形态，AFM测得金属烯厚度仅为0.91 nm，厚度约为四个Ru原子层。基于STEM的元素分析显示Mg、Mo、O和Ru元素在金属烯上分布均匀。

要点二：Mg/Mo位点协同促进水吸附-分解

原位红外光谱显示，与Ru金属烯相比，MgO_x和MoO_y的引入显著增强了界面水的δH─O─H振动模式，表明Mg和Mo可以协同加速水分子的分解。同时，νO─H振动模式的蓝移和在≈3800 cm⁻¹处的增强响应表明Mg位点增强了界面水的O─H伸缩振动，证明增强了界面水分子的吸附。原位拉曼光谱表明，MgO_x/MoO_y-Ru非晶金属烯在≈1550 cm⁻¹处的响应变得更明显，证明水分解反应的加剧，相应的拉曼成像显示，MgO_x/MoO_y-Ru金属烯的热图与显微镜图像中的边界轮廓高度一致，而Ru金属烯则无明显边界，表明MgO_x和MoO_y对水裂解具有重要促进作用。这些结果证实了MgO_x和MoO_y在促进水分子吸附和分解方面的作用。

要点三：优异的碱性HER催化活性

MgO_x/MoO_y-Ru 非晶金属烯在碱性环境中表现出优异的HER催化活性。其在10 mA cm⁻²电流密度下过电位仅为8.5 mV，远低于纯Ru金属烯和商业Pt/C。在100 mV过电位下，其质量活性为2.91 A mg⁻¹，分别是Ru金属烯和商业Pt/C的15.3倍和3.4倍。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻最低，表明其快速的电荷转移过程。长期稳定性测试显示其在12小时内电位增加可忽略不计，且化学状态和形貌在稳定性测试中保持良好。MgO_x/MoO_y-Ru金属烯组装的阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）在100 mA cm⁻²电流密度下仅需1.55 V的低电压，且在500 mA cm⁻²电流密度下可以稳定运行超过60小时。这些结果表明，MgO_x/MoO_y-Ru金属烯不仅具有优异的HER性能，还具有良好的稳定性和实际应用潜力。

Synergetic Oxidized Mg and Mo Sites on Amorphous Ru Metallene Boost Hydrogen Evolution Electrocatalysis. Adv. Mater. 2025, 2501230.

于永生，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授，长期从事于多功能纳米材料的设计和性能研究，先后在纳米永磁材料、纳米材料光/电催化、纳米材料水处理、吸波材料等领域取得系列突破性成果。研究成果发表在Nat Commun、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano energy、Nano-Micro Lett.、ACS Catal.、Chem. Eng. J.、Appl. Catal. B: Environ.等领域内高影响力期刊。

田奋扬，哈尔滨工业大学化工与化学学院博士生，从事于多功能电/光催化剂的设计及性能研究，研究成果先后在Nat Commun、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano energy、Nano-Micro Lett.、Chem. Eng. J.、Appl. Catal. B: Environ.等领域内高影响力期刊发表。

课题组负责人于永生，长聘教授/博导，1980年12月生人。2014年任哈尔滨工业大学化工学院能源化工系“青年拔尖人才”引进教授，迄今为止在Nature Communications、Advanced Materials, J. Am. Chem. Soc等杂志发表论文140余篇。与布朗大学、伯克利劳伦斯国家实验室、IBM沃森研究中心保持长期合作，并派有公派学生前往学习研究。

课题组主页：https://homepage.hit.edu.cn/yongshengyu

课题组长期招收磁性纳米材料、吸波材料，电催化产氢、析氧、燃料电池催化剂硕博士研究生，由于研究生院相关要求，为了提高录取概率，要求学生本科及硕士为211或985学校毕业。