第一作者：刘江淋
通讯作者：邱学青、林绪亮
通讯单位：广东工业大学
论文DOI：10.1021/jacs.5c15759
团队在前期工作通过羧甲基化（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306333）、胺化（ACS Catal. 2022, 12, 11573–11585）以及氧化氨解改性（Adv. Mater. 2025, 2501113; Fundam. Res. 2025, doi.org/10.1016/j.fmre.2025.09.020）等调控木质素微结构，赋予木质素均匀分布且适宜密度的表面官能团，可与金属离子精准配位，从而构筑稳定的木质素-金属超分子框架复合物。在此基础上，本研究提出了木质素定向引导构筑Ru/RuO2垂直电子桥界面的策略，用于超低电压驱动肼氧化与析氢反应，构建了高效自供电制氢体系。在仅0.14 V电池电压下即可达到100 mA cm-2的电流密度，并以近100%的法拉第效率稳定产生氢气。该研究为“以废制氢”提供了可规模化实现的新途径，并彰显了可再生生物质配体在构筑高性能界面电催化剂方面的巨大潜力。
木质素作为自然界储量最丰富的芳香族高分子，其独特的三维交联网络结构与高含碳量(＞60%)使其具备成为高性能碳基电催化材料前驱体的潜力。然而工业木质素分子间的强π-π 堆积导致致密聚集，掩蔽活性位点；其宽分子量分布导致表面化学基团的空间异质性。此外，受限于过渡金属配位动力学特性与络合能级匹配性，难以稳定构筑金属-有机框架配位物结构，导致衍生材料活性位点密度低、电子传输网络不连续、传质动力学迟滞，显著制约了其在电催化体系中的应用。如何通过分子结构调控与界面工程策略突破上述局限，成为该领域亟待解决的关键科学问题。针对这一挑战，广东工业大学邱学青教授/林绪亮教授研究团队提出了一种基于木质素的“原位螯合-结构导向”策略。利用水热活化木质素（HAL）作为多齿配体捕获Ru离子，经高温热解构建了嵌入分级多孔碳基质中的垂直Ru/RuO2异质结。通过界面电子桥工程调控界面电荷分布，构建具有协同效应的动态双活性中心，从根本上提升 Ru 基催化剂的结构稳定性与电催化性能，实现高效、低能耗的自供电制氢过程。
1. 利用活化木质素定向配位 Ru 前驱体，一步碳化构筑分级多孔Ru/RuO2异质结，实现低负载、高分散的金属异质界面。
2. 在 Ru/RuO2界面形成 Ru4+–O–Ru0电子桥和可逆价态Ru，构建动态双活性中心，提升联氨氧化与析氢动力学。
3. 联氨辅助电解 100 mA cm-2仅需 0.14 V，串联联氨燃料电池后，可在无外加电源下自驱动稳定产氢，法拉第效率接近100%。
图1. 活化木质素导向合成Ru/RuO2异质结及其微观结构
HAL 通过酚羟基的多位点螯合，保证 Ru3+在 HLC 孔道等位点成核；可控热解在孔内产生氧活性梯度，促成 Ru(100)//RuO2(110) 的低失配配对与界面优先生长，形成垂直电子桥异质结。该策略以可再生生物质配体实现原位精确构筑，兼具可扩展性与绿色性。
图2. HER 本征活性与界面电荷转移
在 1.0 M KOH 中，Ru/RuO2@HLC在 12 mV 过电位实现 50 mA cm-2的电流密度，超过 Pt/C。EIS/Cdl/ECSA 指标与动力学斜率共同指向快速界面电荷转移与高活化位可达性。这一表现源于电子桥贯穿界面、缩短跨相传输路径，以及 DDC 对吸/脱附自由能的动态匹配。
图3. HzOR 替代 OER 的全电池优势
将阳极换为 HzOR，电解电压在 100 mA cm-2时降至 0.14 V。在等面积极化下维持高电流密度与稳定性，显著降低系统能耗。该部分验证了“界面优化 + 反应路径重构”在器件级的协同收益，具备工程放大的潜在空间。
图4. 原位机理探究与理论计算，闭环验证催化路径
在 HER 条件下，随阴极偏压增加，RuO2框架的 Ru–O 振动出现轻微红移并略微展宽，指示为电子注入诱导的局域八面体微胀而非不可逆腐蚀。全程未出现高价 RuO4特征带，与 EQCM 的极小质量变化相吻合，证明界面调制非溶出、可逆过程。该拉曼趋势与in situ XAFS 观测的 Ru–O 轻微伸长与边位 ΔE0负移相互印证，形成对Ru4+–O–Ru0电子桥与邻近 Ru 可逆部分氧化动态双中心（DDC）的直接工作态证据。据此可将拉曼信号的红移/展宽解读为 DDC 下对 *H/*OH（及相关过渡态）稳定与能垒降低的光谱学表征，为低电压、高电流与长寿命的性能与机理闭环提供关键支撑。
本研究通过巧妙利用生物质木质素的结构特性，成功构建了具有垂直电子桥界面的Ru/RuO2@HLC催化剂。不仅揭示了界面处Ru4+-O-Ru0电子桥与动态双活性中心在协同降低反应能垒、抑制金属溶解方面的关键作用，更为肼辅助的低能耗制氢技术提供了高效的解决方案。这种基于可再生生物质配体的界面工程策略，具有成本低、可扩展性强等优势，为未来开发高性能、高稳定性的能源转换材料提供了新的思路，有望推动废弃物资源化与绿色氢能生产的协同发展。
该研究以“Lignin-Directed Construction of Vertical Ru/RuO2 Electron-Bridge Interfaces for Low-Input Self-Powered Hydrazine-Water Splitting”为题发表于Journal of the American Chemical Society。2023级博士研究生刘江淋为第一作者，广东工业大学邱学青教授和林绪亮教授为通讯作者。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c15759。
邱学青，博士，教授，博士生导师，加拿大工程院外籍院士。现任广东工业大学校长。 国务院特殊津贴专家，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家新世纪“百千万”人才工程。兼任广东省科协副主席，全球华人化工学者学会会士，中国化工学会常务理事，广东省化工学会执行理事长，第七、八届国务院学科评议组（化学工程与技术学科组）成员，《Carbon Research》《高校化学工程学报》等期刊副主编。
主要从事工业木质素的资源化高效利用及新型萃取工艺方法的研究，获得国家技术发明二等奖2次（均排名第一），部省级科技一、二等奖7次，中国专利优秀奖4次，广东省专利金奖2次。获国家教学成果一等奖1次、二等奖2次。获 “何梁何利基金科学与技术进步奖”“光华工程科技奖”、“闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖”等。发表SCI论文700多篇，获授权中国发明专利200余件、美国专利10件，主编学术专著2本。
林绪亮，教授，博士生导师，国家高层次青年人才。聚焦生物质资源高值化利用研究，主要从事工业木质素的功能改性及在化工、环境与能源领域的应用。以第一或通讯作者在Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, AIChE Journal, Fundamental Research等期刊发表论文70余篇，Google引用h指数37，申请发明专利90余件，其中授权专利40余件。主持国家自然科学基金面上项目、重点项目（参与单位负责人）和青年基金项目、广州市科技菁英“领航”项目等项目。荣获2020年度广东省技术发明奖一等奖。2024、2025年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单等。担任Advanced Powder Materials、Renewables、Rare Metal、Carbon Neutralization等期刊青年编委。兼任广州市科学技术协会第十一届委员会委员、广州市青年科技工作者协会监事长、广州市青科协材料与化学专委会副主任等。
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