扬州大学庞欢课题组AS研究论文：氧化钨纳米线锚定的钌团簇催化剂应用于双功能氢电催化

第一作者：皮业灿

通讯作者：庞欢*

单位：扬州大学，南开大学，同步辐射研究中心（台湾），清华大学（台湾）

氢电极反应，包含氢析出反应（HER）和氢氧化反应（HOR），是电解水和燃料电池技术的基本反应，也是推动氢能产业发展、实现双碳目标的重要基石。目前氢电极反应主要采用Pt作为催化剂，虽然它具有较好的活性，但是由于其储量低、价格高，导致催化剂的成本较高，而且Pt容易被一氧化碳等杂质毒化而失活，这些都限制了其广泛应用。

理论上，Ru具有和Pt接近的氢键结合强度，且其价格约为Pt的1/3，因而被认为是一种很有前途的HER/HOR催化剂。但Ru基催化剂的性能相比Pt仍有很大的提升空间，开发新型的高活性和稳定性的Ru基HER/HOR电催化剂是目前该领域的研究热点之一。

基于此，扬州大学的庞欢教授团队和合作者在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Synergistic Mechanism of Sub-Nanometric Ru Clusters Anchored on Tungsten Oxide Nanowires for High-Efficient Bifunctional Hydrogen Electrocatalysis”的研究论文。该工作通过构筑氧化钨纳米线锚定的Ru亚纳米团簇催化剂（Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs），实现了酸性条件下高效的双功能氢电催化。

研究发现，Ru团簇与氧化钨载体之间的强相互作用不仅有助于稳定Ru纳米簇，而且还通过调节Ru的电子结构，优化了其与氢的结合强度，从而促进了反应中间体的吸附和脱附，最终实现了HER/HOR催化活性的提升。该工作所报道的催化剂有望取代目前价格高昂的Pt催化剂应用于电解水和燃料电池等技术。

本文采用一步水热法制备了氧化钨纳米线锚定的钌团簇催化剂（Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs），通过球差校正透射电镜、EDS-mapping和XRD等对其形貌和结构进行了表征（图1）。

图1. Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs的合成示意图及形貌表征。

要点二：Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs的结构分析

结合X射线光电子能谱（XPS）、X射线近边吸收谱（XANES）和扩展边精细吸收谱（EXAFS）表征，我们发现Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs中的Ru纳米簇通过Ru-O-W键锚定在氧化钨载体上，它们之间这种强的电子相互作用使得Ru失去部分电子而呈现为氧化态（图2）。

图2. Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs的结构表征。

要点三：Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs展现出优异的电催化性能

本文分别测试了Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs的HER和HOR催化性能（图3，图4）。在0.5 M H₂SO₄溶液中，Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs达到10 mA cm^-2的HER电流密度时过电位仅为21 mV，Tafel斜率为35 mV dec^-1，明显优于作为对比的Ru/C催化剂，接近目前最好的Pt/C催化剂。不仅如此，在HOR催化测试中，Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs也表现出与Pt/C媲美的活性和稳定性，并且相比后者展现出更强的抗毒化能力。

图3. Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs和对比材料的HER性能测试。

图4. Ru SNC/W₁₈O₄₉ NWs和对比材料的HOR性能测试。

Synergistic Mechanism of Sub-Nanometric Ru Clusters Anchored on Tungsten Oxide Nanowires for High-Efficient Bifunctional Hydrogen Electrocatalysis

庞欢，南京大学理学博士，扬州大学教授，博士生导师。教育部青年长江学者（2018）；教育部新世纪优秀人才（2013）；江苏省杰出青年（2020）；英国皇家化学学会会士（2022）；全球高被引学者（2020-2022）。EnergyChem管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员、多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事功能化微纳米配合物材料及其衍生物的研究。

近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊发表SCI论文400多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为85。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部。授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖(R3), 二等奖(R1)。

皮业灿，2020年博士毕业于苏州大学材料与化学化工学部。2021年加入扬州大学并入选“青年百人”资助计划，现为化学化工学院青年教师。主要研究兴趣为无机纳米材料的设计合成及其在能源催化领域的应用。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Mater.等学术刊物上发表多篇研究论文。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金各1项。

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