第一作者：Yu Zhang, Chaoqun Ma
通讯作者：王安良，鲁启鹏
通讯单位：山东大学，北京科技大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202301492
构建和调控电催化析氢反应（HER）的异质界面是非常重要的，但仍然面临巨大的挑战。在本研究中，作者采用了一种简便的方法，通过将超细Ru纳米粒子锚定在各种MoOx纳米管（NT）基底上，包括MoO2、MoO2/MoO3和MoO3，成功可控地合成了三种不同的异质界面。值得注意的是，MoO2@Ru NT 显示出优异的 HER 活性，在过电位为 89 和 131 mV时，分别可以提供高达500 和 1000 mA cm−2 的高电流密度，远远超过了商用 Ru/C和Pt/C 催化剂。令人印象深刻的是，这种异质界面甚至在 322 mV 的过电势下实现了 4000 mA cm−2 的超高电流密度。此外，MoO2@Ru NT 在 1000 mA cm−2下具有出色的稳定性（100 h），并且衰减可以忽略不计。实验观察和理论计算都表明，从 Ru 到 MoO2 的适度电子转移增强了水解离动力学，并优化了氢吸附/解吸，从而同时加速了 HER 动力学。此外，所获得的MoO2@Ru NT作为阴极电催化剂组装的阴离子交换膜电解槽，表现出超高的活性和优异的耐久性，在1000 mA cm−2下，其电压低至1.78 V，并且在1000 mA cm−2下可长时间工作200 h。
可再生能源（即风能和太阳能）驱动的碱性水电解被广泛认为是一种环境友好且可持续的绿色制氢方法。然而，该过程的主要挑战之一是析氢反应（HER）动力学缓慢。虽然Pt目前被认为是最先进的HER催化剂，但其稀缺性和高成本极大地限制了大规模应用。由于相对较低的价格和相似的金属氢键强度（65 kcal mol−1），Ru被认为是Pt催化剂的替代品。然而，Ru存在高能垒的水解离和较差的氢吸附/解吸能力，严重限制了HER活性。因此，实现具有增强水解离动力学和最佳氢吸附/解吸能力的 Ru 位点，对于提高HER 性能非常重要，但目前仍然是一个巨大的挑战。
在提高电催化性能方面，异质界面构建被认为是一种有效的方法。通过利用不同物种构建异质界面，不仅可以诱导电荷转移并改变电荷密度，从而影响活性位点和反应物/中间体之间的吸附/解吸过程，而且还可以增加活性位点的数量。尽管在开发各种异质界面以提高HER性能方面已经取得了很大进展，但是对异质界面调控的研究，特别是在不改变其他参数（如合成方法和形态）的情况下，调节单一组分或调整不同组分比例的研究却很少，这限制了对异质界面与催化性能相关性的认识。此外，实际应用的HER电催化剂必须在高电流密度（至少500 mA cm−2）下稳定工作。然而，大多数报道的异质界面仅在低电流密度（通常低于200 mA cm−2）下表现良好，且稳定性有限。因此，实现可控异质界面以提高高电流密度下的HER性能，并揭示相应的机制具有重要意义，但很少有人对此进行探索。
综述所述，本文提出了一种简单的方法，在不同 MoOx NT 上锚定 Ru 纳米颗粒，形成了三个异质界面作为高活性 HER 电催化剂。其中，MoO2@Ru NT表现出最高的 HER 活性。令人印象深刻的是，MoO2@Ru NT 在 322 mV 的过电势下实现了 4000 mA cm−2 的超高电流密度。实验结果和 DFT 计算表明，HER 性能的增强可归因于从 Ru 到 MoO2 的适度电子转移，这促进了水解离动力学，并优化了氢吸附过程。此外，由MoO2@Ru NT组装的AEM电解槽表现出优异的性能，仅需1.78 V即可达到1000 mA cm−2，并且在1000 mA cm−2的200 h测试中没有活性衰减。该工作强调了异质界面调控的好处，这为合理设计用于大规模绿色氢气生产的先进异质界面电催化剂铺平了道路。
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