加州大学圣克鲁兹分校陈少伟团队：10秒内快速合成钌铜纳米复合材料作为高效双功能电催化剂的研究

陈少伟教授，Small: 钌-铜纳米复合材料的快速合成及其在电化学水分解中作为高性能双功能电催化剂的应用

钌-铜纳米复合材料的快速合成及其在电化学水分解中作为高性能双功能电催化剂的应用

第一作者：潘丁杰

通讯作者：陈少伟*

单位：美国加州大学圣克鲁兹分校

电化学水分解是一种通过分解水产生氢气的清洁能源技术，但由于传统电催化剂如铂和铱的高成本和稀缺性，其应用受限。研究者们因此在寻找低成本、高性能的替代材料。本文提出了通过快速合成钌-铜纳米复合材料来作为双功能电催化剂，以解决上述问题，并提高电化学水分解的效率。这种复合材料的创新设计和快速制备方法为清洁能源领域提供了新的可能性。

近日，来自加州大学圣克鲁兹分校陈少伟团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Rapid Synthesis of Ruthenium–Copper Nanocomposites as High-Performance Bifunctional Electrocatalysts for Electrochemical Water Splitting”的文章。文章介绍了一种在10秒内快速合成钌-铜纳米复合材料的方法，并探讨了其作为电化学水分解双功能电催化剂的潜力。通过电磁感应加热技术，Ru-Cl修饰的金属钌纳米晶体分散在CuClₓ支架上，实现了钌到铜的有效电荷转移。实验结果表明，RuCu/C-3样品在1 M KOH溶液中对氢析出反应（HER）和对氧析出反应（OER）分别仅需-23 mV、+270 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，而全水解反应则需1.53 V的电位即可达到相同的电流密度，其性能显著优于商业Pt/C和RuO₂催化剂。该研究推动了可再生能源领域高效、低成本电催化剂的开发。

TEM图像显示，该样品由若干暗对比的纳米颗粒组成，这些颗粒沉积在低对比度的炭黑表面上。统计分析表明，纳米颗粒的直径大多在3到10纳米之间，平均直径为5.27 ± 2.72纳米。高分辨率TEM图像显示，纳米颗粒具有明确的晶格条纹，其间距为0.216和0.232纳米，对应hcp Ru的(002)和(100)晶面，表明形成了金属Ru纳米颗粒。能量色散X射线光谱(EDS)分析也表明，Ru在纳米颗粒中富集，并且Cu、Cl和O元素也在样品中清晰可见，Cl和O与Ru有明显重叠，这表明样品可能包含富含金属-Cl/O残留物的Ru纳米颗粒，并且这些纳米颗粒分散在铜-Cl/O基体上。

462.71/484.91 eV的双峰（绿色曲线）与金属Ru纳米颗粒的峰位一致；而464.33/486.53 eV的双峰（蓝色曲线）与Ruδ+相关。随着CuCl₂的加入，样品中Ru的结合能增加了0.5-1.5 eV，表明Ru位点变得更加电子缺乏，但Ruδ+的比例在样品系列中保持在约50%。而图2b的Cu 2p图谱中证实了样品中没有金属Cu，符合CuCl₂未完全分解的结果。图2c的O 1s图谱未见530 eV以下的O 1s峰，表明样品中无金属氧化物。图2d的Cl 2p谱图显示金属-Cl双峰（蓝色曲线，197.86/199.49 eV），确认了样品中存在阴离子残留物，与EDS元素映射分析结果一致。综合这些结果，RuCu/C-3样品中含有装饰有Ru/Cu–Cl残留物的Ru纳米颗粒，这是由于MIH过程中的快速加热导致的。

在1 M KOH中对RuCu/C-3样品进行的原位XAS测量揭示了其在HER和OER中的机制。在HER过程中，随着电极电位的负向偏移，Ru K边XANES谱图中的吸收边向低能量移动，表明Ru位点电子富集。FT-EXAFS曲线显示，Ru-C/O峰的强度减弱，而金属Ru-Ru键的强度增强，表明Ru-C/O物种逐渐转化为金属Ru，从而提升了HER活性。在OER过程中，Ru K边XANES谱图中的吸收边随电位的正向偏移而向高能量移动，表明Ru的价态升高。预边特征在电位为+1.2到+1.6 V时出现，并在+1.8 V时减弱，这与Ru 4d ← 1s跃迁的电偶极子禁止特性相关，表明高过电位下Ru和Ru–Cl的氧化导致了价电子的缺失。FT-EXAFS曲线逐渐与RuO₂相似，表明在高电位下Ru–Cl残留物转化为RuOx。结果表明，RuCu/C-3的高OER活性可能是由于Ru–Cl残留物在高电位下易于转化为RuOx。RuCu/C-3的双重结构——Ru纳米颗粒和Ru–Cl残留物——赋予其优异的HER和OER双重催化性能。

潘丁杰，2019年本科毕业于广东工业大学，2021年硕士毕业于加州大学尔湾分校，随后加入陈少伟教授课题组攻读博士学位，主要研究方向为纳米功能材料在新能源技术上的应用。

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