中科院上海高研院杨辉/程庆庆团队Nano Letters：晶相工程调控钌/碳化钼界面作用促进酸性HER

第一作者：李雨泽

通讯作者：程庆庆*，杨辉*

单位：中国科学院上海高等研究院

氢能因其高能量密度和环境友好性，被认为是最有希望替代化石燃料满足未来能源需求的能源。由可再生能源驱动的质子交换膜水电解（PEMWE）在实现大规模制氢方面引起了广泛关注。Pt是公认的最先进的HER电催化剂，但其高昂的成本直接限制了 PEMWE的大规模应用。目前，Ru作为最廉价的铂族元素，由于其ΔGH*与铂相似，可能成为催化HER的理想替代元素，引起了人们的极大兴趣。但Ru基电催化剂的本征活性还无法与Pt相提并论，因此如何调节Ru的电子结构并达到最佳ΔGH*对于提高 Ru基催化剂的HER本征活性至关重要。

近日，来自中国科学院上海高等研究院的杨辉/程庆庆团队，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Crystalline Phase Engineering to Modulate the Interfacial Interaction of the Ruthenium/Molybdenum Carbide for Acidic Hydrogen Evolution”的文章。该文章通过载体的晶相工程调节活性位点Ru的电子结构，使其本征活性得到提高，优化后的催化剂在PEMWE中具有优异的性能（1.58 V@ 1.0 A cm^–2）和长期稳定性（500 h@ 1.0 A cm^–2）。

利用ZIF-8作为C源，钼酸作为Mo源，通过高温碳化的方法制备出碳化钼纳米颗粒，通过控制前驱体元素比例，精准地合成出立方晶型α-MoC和六方晶型β-Mo₂C。结合多种物理表征分析，两种晶相碳化钼均为纯相。

利用CVD的方法负载Ru团簇于不同晶相的碳化钼上。选用易挥发的乙酰丙酮钌金属盐，通过化学气相沉积将Ru团簇高度分散在两种不同的碳化钼载体上，Ru和MoxC存在金属-载体相互作用，由于两种MoxC载体的物理化学性质不同，Ru的电子结构得到了不同作用的调控。

Ru-Mo₂C比Ru-MoC有着更好的HER活性，其具有更小的Tafel斜率、更高的本征活性jECSA、更大的交换电流密度j0和更小的Rct，并且有着优异的稳定性。将优化的Ru-Mo₂C催化剂组装成PEM器件，在0.15mgRu cm^-2的载量下，有着出色的性能，分别在1.58和1.68 V的低槽压下达到1和2 A cm^-2的高电流密度，并且能在1A cm^-2下稳定运行超过500 h。

紫外光电子能谱（UPS）测试证明Mo₂C有着更低的功函数（3.96 eV），相比于MoC（4.62 eV）理论上更容易转移电子给Ru(5.40 eV)。理论计算同样证明了Ru-Mo₂C催化剂中的Ru比Ru-MoC中的Ru从载体得到了更多的电子，并且具有更适宜的d带中心，更趋近于0的ΔGH*，从而提高了HER的活性。

Crystalline Phase Engineering to Modulate the Interfacial Interaction of the Ruthenium/Molybdenum Carbide for Acidic Hydrogen Evolution

程庆庆，博士，中国科学院上海高等研究院副研究员，硕士生导师。研究聚焦氢/电转化与绿电合成中关键材料与核心器件的设计与开发，致力于解决绿色脱碳过程中的基础科学问题与应用技术瓶颈。目前以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci.,等高水平期刊发表论文20余篇。主持国家基金委青年科学基金项目、科技部重点研发计划“氢能技术”专项子课题、上海市面上项目等。

杨辉，博士，中国科学院上海高等研究院研究员（二级），博士生导师，上海高研院储能中心主任，享受国务院特殊津贴。历任国家科技部973计划类项目首席科学家、863计划“十二五”先进能源领域主题专家、中科院动力能源专家组成员等。现为科技部重点研发计划纳米科技项目负责人、中国可再生能源学会理事、氢能燃料电池专业委员会副主任等。长期从事氢能燃料电池相关研究，在燃料电池纳米电催化剂及其耐久性、膜电极集合体研发、直接醇燃料电池等关键技术的解决和系统集成以及新型储能电池等方面开展了大量工作。已发表论文200余篇，获他引约9000余次。已申请发明专利50余件，其中42件已授权，作为主编在科学出版社出版《应用电化学》编著1部，已连续23次印刷。指导的研究生曾获中国科学院院长优秀奖、中科院-沙特基础工业公司奖学金、中国科学院美国超导奖、荷兰壳牌能源创新与研究奖以及上海市优秀毕业生称号等。

课题组聚焦国家能源战略与产业瓶颈，开展电催化高效转化、绿色氢能/高效储能、新型光电转换等前瞻基础及工程应用，鼓励原始创新、聚焦关键技术突破与集成创新，助力国家“双碳”战略，培养一批高素质创新型研究和工程技术人才。主要研究方向包括1.关键电催化材料创制与动态机理解析；2.绿色氢能/储能装备研制与工程应用；3.绿色电合成技术。