青岛科技大学王磊教授课题组JMCA：通过构建Ru/FeCoP异质界面驱动双活性中心机制实现高效的全水解

第一作者：王艺霖

通讯作者：王磊*，杜云梅*

单位：青岛科技大学

界面工程策略被认为是促进水分解的直接方法，但要使催化剂析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的活性都超过贵金属催化剂，仍然是一个挑战。

具有类似铂的HER活性的Ru⁰的成本仅为铂的4%，被认为是最有前途的贵金属催化剂之一。使用界面工程策略来调整Ru周围的电子密度和优化反应中间体的吸附尤为关键。综合考虑经济效益和成本问题，构建具有高催化活性和高性价比过渡金属磷化物的Ru异质结构不仅优化了Ru的电子结构，而且增强了电催化功能。

基于此，青岛科技大学的王磊教授团队，在国际知名期刊J. Mater. Chem. A. 上发表题为“Construction of Ru/FeCoP Heterointerface to Drive Dual Active Sites Mechanism for Efficient Overall Water Splitting”的文章。

本文利用易操控的光沉积技术，构建了具有丰富Ru/FeCoP异质界面的Ru@FeCoP。溶液中的Ru³⁺在氙灯的照射下被还原为固定在FeCoP上的Ru颗粒，形成的Ru@FeCoP发现有一个突出的Ru/FeCoP异质界面，它可以作为电子循环的桥梁。Ru/FeCoP界面驱动具有高HER活性的Ru和具有高OER活性的Fe与Co的双活性位点协同机制的运行，解决了贵金属水分解效率低的问题，为制备高性能水解离电催化剂提供了一条有效的途径。

通过精细的三步法制备了设计独特的Ru@FeCoP材料，其反应过程如图所示，最终形成中空的双壳Ru@FeCoP双锥棱镜。Ru@FeCoP大的电化学活性比表面积主要是由于空心双壳结构可以暴露更多的表面积，同时Ru的负载可以丰富活性位点的数量。这种独特的结构也能促进传质和气体扩散，有利于催化过程的进行。

图1. Ru@FeCoP电极合成过程示意图。

要点二：Ru/FeCoP异质界面有助于提高电导率和电催化活性

具有耦合效应和电子效应的界面工程策略被认为是丰富催化功能和提高本征活性的最重要的方法之一。本文采用光沉积策略，Ru粒子沉积在FeCoP空心的双锥棱镜上形成Ru/FeCoP界面，新形成的Ru/FeCoP异质界面处电子从Co和Fe定向流向Ru原子，电子结构的优化大大提升了催化剂的催化活性。

图2. Ru@FeCoP催化剂的XRD以及形貌表征。

要点三：提出双活性位点机制推动了高效率的全水分解

由于Ru/FeCoP异质界面的存在，携带适当电子的Ru可以削弱Ru⁰对H*的过度吸附，促进H₂的释放。同时，具有更多正电荷的Fe和Co原子有利于OER过程中OH^-的吸附和高活性FeOOH和CoOOH相的形成。

图3. Ru@FeCoP催化剂的电化学性能测试。

DFT计算结果表明，Ru 位点在 Ru@FeCoP 中的所有原子中具有最低的 ΔGH* 值（-0.073 eV），这也证实了 Ru 位点对 H* 具有最合适的吸附和解吸能力，证实了 Ru位点在 HER 过程中发挥重要的催化作用。

同时，通过 OER 反应后的 XPS 光谱分析，与反应前相比， Fe 和 Co 的氧化峰显着增强，而磷化物的峰则急剧减弱。而Ru-O键的峰强度略有增强，但其提高幅度远低于Fe-O和Co-O物种。上述结果表明，FeCoP相中的Fe和Co原子在Ru/FeCoP异质界面的驱动下携带更多的正电荷，证实了形成了具有优异 OER 活性的物种Fe-O（或Fe-OOH）和Co-O（或Co-OOH）。

图4. HER反应中不同位点的DFT计算。

图5. OER反应后Ru@FeCoP催化剂的XPS图。

要点四：结论

本工作通过三步法精心设计了具有丰富Ru/FeCoP界面的Ru@FeCoP中空双层双锥棱镜。引人注目的是，Ru@FeCoP 只需要 17.4 mV 和 74.1 mV 的 HER 过电位，以及 267 mV 和 319 mV 的 OER 过电位即可分别实现 10 mA cm^-2 和 100 mA cm^-2 的电流密度。

正如预期的那样，由 Ru@FeCoP 组成的电解池仅需 1.545 V 即可驱动 50 mA cm^-2 的电流密度。同时，Ru@FeCoP还具有显着的结构稳定性和持久的催化活性。通过构建金属/磷化物异质结构驱动双活性位机制，解决了贵金属基催化剂成本高、水分解效率低的问题，促进了工业水分解技术的改进。

图6. Ru@FeCoP催化剂的全水分解测试。

Construction of Ru/FeCoP Heterointerface to Drive Dual Active Sites Mechanism for Efficient Overall Water Splitting

王磊教授简介：山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年来青岛科技大学工作至今。长期从事绿色能源相关领域研究，在能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物等方面做了大量的工作，近年来关注于无机微纳米材料的合成方法及其在在能源储存与转换方面的应用。

已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Nano Lett, Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文三百余篇，其中通讯作者影响因子大于10.0的论文八十余篇，主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。

杜云梅博士简介：杜云梅获得博士学位。2021年毕业于青岛科技大学应用化学专业，现在青岛科技大学从事博士后研究。近年来，致力于磷化物基材料和多相催化剂的设计和合成以及在储能和转换系统（尤其是电催化）中的应用。以第一或通讯作者在Journal of Materials Chemistry A、Applied Surface Science、International Journal of Hydrogen Energy等国际期刊发表SCI论文10余篇。

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