田书博教授、李婉璐教授， Small观点：缺陷 TiO2 封装的 Ru 纳米颗粒促进氢氧化/析出反应

共同一作：付秀婷，黄消消，岑亚平

通讯作者：田书博*，李婉璐*，金邵*

单位：北京化工大学，加州大学圣地亚哥分校

面对全球能源危机和环境污染的双重挑战，开发新型高效的能源转换与存储技术变得极其关键。氢能源，因其清洁性和高效性，被广泛认为是一种理想的解决方案。在众多制氢技术中，电解水因其可再生和环境友好性而备受瞩目。然而，电解水过程中的氢氧化反应（HOR）和氢析出反应（HER）在动力学上较为缓慢，尤其是在碱性环境中，这限制了整体能量转换效率的提升。因此，研发高效的电催化剂以加速这些反应的速率，对于实现高效的电解水制氢至关重要。

钌（Ru）基材料因其出色的电催化性能和良好的化学稳定性，被认为是碱性环境下HOR/HER的有力候选催化剂。最近的研究显示，将Ru纳米颗粒负载在含有缺陷的二氧化钛（TiO₂）上，可以显著提升其在碱性条件下的HOR/HER性能。这种方法不仅增强了催化活性，还提高了催化剂的稳定性和耐久性，为实现高效的电解水制氢开辟了新的途径。

近日，来自加州大学圣地亚哥分校的李婉璐教授与北京化工大学的田书博教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Ru Nanoparticles Encapsulated by Defective TiO₂ Boost the Hydrogen Oxidation/ Evolution Reaction”的文章。本文报道了一种高度分散的由缺陷二氧化钛支撑的Ru纳米颗粒催化剂（称为Ru NPs/def-TiO₂(A)），该催化剂能够在碱性条件下促进氢循环电催化。氢欠电位沉积（Hupd）和CO剥脱实验表明，Ru NPs/def-TiO₂(A)具有优化的H*、OH*和CO*吸附强度，同时，DFT计算表明，在Ru NPs/def-TiO₂(A)界面，水生成动力学明显有利，H的吸附和解吸行为受到调节，提高了HOR/HER性能。这种双功能催化剂在AEMFCs和水电解领域具有巨大的应用潜力。

透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）的表征结果证实了Ru纳米颗粒在缺陷TiO₂载体上的高分散性，平均粒径约为2.32纳米。这种高分散性为催化反应提供了更多的活性位点。此外，Ru纳米颗粒与缺陷TiO₂之间的强相互作用有助于优化电子转移过程，这是提高催化活性的关键因素。

比表面积分析（BET）和X射线光电子能谱（XPS）的结果表明，缺陷TiO₂载体的氧空位增加了其比表面积并改变了Ru的电子结构，这有利于提高催化剂的导电性和电子转移效率。

电化学测试结果表明，负载Ru纳米颗粒的缺陷TiO₂催化剂在碱性HOR/HER中展现出了优异的电催化活性。Ru NPs/def-TiO₂(A)具有7.65 A mgRu^-1的高质量活性，在碱性HOR中比商业Ru/C和Pt/C高23.2倍和9.5倍。此外，该催化剂用于碱性HER中，在10 mA cm^-2时表现出21 mV的显著过电位。氢欠电位沉积（Hupd）和CO剥离实验表明，Ru NPs/def-TiO₂(A)具有优化的H*、OH*和CO*吸附强度，使Ru NPs/def-TiO₂(A)催化剂在碱性条件下表现出优异的HOR/HER性能。

通过密度泛函理论计算，Ru NPs/def-TiO₂(A)催化剂的HOR性能机制来源于与Ru纳米颗粒接触的二氧化钛台阶面，表明在Ru NPs/def-TiO₂(A)界面的水生成动力学更有利且H的吸附和解吸行为被调节，证实了缺陷TiO₂表面氧空位和Ru纳米颗粒与TiO₂之间的电子相互作用对HOR/HER反应动力学的优化作用。

Ru Nanoparticles Encapsulated by Defective TiO₂ Boost the Hydrogen Oxidation/ Evolution Reaction