海南大学田新龙教授、李静副教授Small：超薄RuIr合金实现高效电解海水析氢

第一作者：于彦会

通讯作者：田新龙*，李静*

单位：海南大学

利用可再生电力耦合电解海水制氢有望成为一种低成本获取绿氢的技术。海水占地球总水量的97%，被认为是未来理想的制氢原料。然而，海水的成分复杂对于实现高效、持久的直接电解海水技术构成严峻挑战。在电解海水过程中，阴极电极表面会出现不溶性固体沉积物，因此需要开发高效、持久的阴极催化材料。

众所周知，钌（Ru）位于火山图上接近铂的位置，表现显著的催化活性，但是稳定性不足。如何兼顾Ru基催化剂活性的前提下提升稳定性显得尤为重要。而铱（Ir）基催化剂具有优异的耐腐蚀性和稳定性，但是在反应过程中表现出较低的活性。基于此，利用这两种元素的互补性，通过合金化实现稳定性和活性之间的平衡。

基于此，海南大学的田新龙教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Ultra-Thin RuIr Alloy as Durable Electrocatalyst for Seawater Hydrogen Evolution Reaction”的文章。该文章采用多元醇还原法制备RuIr合金催化剂，以改善催化剂在碱性海水电解过程中的失活和溶解问题，从而显著提升催化材料的HER性能。

首先，通过高分辨透射电子显微镜（TEM）、元素映射图像，全面展示了RuIr合金催化剂的形貌结构和元素分布，TEM显示RuIr合金直径约为2.65 nm，且元素分散均匀。

图1. RuIr合金制备示意图及其形貌和组成结构表征

要点二：材料的电子结构

其次，利用X射线光电子能谱对催化剂的电子结构进行分析。研究发现，合金化可以调控Ru和Ir位点的电子结构，这有助于降低吸附物质的反应能垒，提高RuIr催化剂的催化性能。

图2. 催化剂的X射线光电子能谱

要点三：电化学性能

在三电极体系下，RuIr合金在碱性海水中具有优异的HER性能。RuIr合金的活性接近商业Pt/C催化剂，且能在10 mA cm^-2电流密度下运行100 h，远超于商业Pt/C。此外，通过电压降解率（DV）和活性降解率（DA）对RuIr合金催化剂耐久性进行评估。RuIr合金的DV和DA分别为29.2 μV h⁻¹和3.78 × 10⁻⁴ h⁻¹，表明RuIr合金具有良好的稳定性。

图3. 催化剂电化学性能表征

要点四：HER性能提升机制研究

密度泛函理论（DFT）计算揭示了RuIr合金催化剂优异HER性能的来源。首先选择排列紧密、易暴露且稳定的RuIr(111)晶面进行计算。Bader电荷分析结果表明Ir原子向Ru原子电子转移，这与XPS结果一致。此外，通过计算不同位点的吉布斯自由能发现Ru原子和Ir原子的顶位是催化剂的反应活性位点。最后，电子局域函数显示Ru和Ir原子周围存在强金属键，这有利于提升催化剂的稳定性。

图4. DFT计算揭示RuIr合金催化剂活性和稳定性提升机制

Ultra-Thin RuIr Alloy as Durable Electrocatalyst for Seawater Hydrogen Evolution Reaction

田新龙，海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年拔尖人才；海南大学“海洋清洁能源创新团队”负责人，团队荣获2022年海南省自然科学奖一等奖、2023年海南青年五四奖章集体；担任海南省电化学储能与能量转换重点实验室副主任、智慧海洋能源与深海资源开发工程研究中心副主任；长期从事电化学能量转换与存储领域的应用基础研究，包括氢燃料电池、海水制氢和海水电池等。以第一/通讯作者在Science等学术期刊上发表SCI论文120余篇；主持国家级项目5项，授权国家发明专利12项、美国发明专利1项；担任J. Energy Chem., eScience, Carbon Energy等期刊青年编委；获得《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖等荣誉。

李静，海南大学海洋科学与工程学院副教授，海南省“D类”高层次人才。2019年9月于华南理工大学获得工学博士学位；2020年7月入职海南大学化学化工学院，加入海南大学田新龙教授“海洋清洁能源利用创新团队”。长期致力于能源催化材料的设计与开发，主要研究方向为金属-空气电池和电解水/海水制氢及其器件研发。以第一作者或通讯作者在J. Energy Chem., Chem. Eng. J., Nano-Micro Lett., J.Colloid Interface Sci.等高水平期刊杂志上发表30余篇学术论文，主持国家自然科学基金青年科学基金1项，海南省自然科学基金面上项目1项和海南省自然科学基金高层次人才项目1项。

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