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氢能科研助手
氢能作为清洁能源的重要组成部分，其获取途径中，利用可再生电力驱动的水电解技术制取绿色氢气，无疑是一项极具潜力的方法。然而，当前的水电解系统面临着两极反应动力学迟滞的挑战，这要求系统必须维持高电压输入以确保反应的持续进行。为应对这一难题，开发高效的电催化剂以加速电极反应进程显得尤为重要。
在众多催化剂中，Ru基催化剂因其对析氧反应（OER）和析氢反应（HER）均展现出卓越的催化性能，而备受瞩目，有望成为推动电解水系统广泛应用的明星材料。但遗憾的是，Ru基催化剂易于发生团聚现象，并且在电化学环境中易于氧化失活，这些问题极大地限制了其实际应用潜力。因此，如何有效抑制Ru的电化学失活，已成为当前科研领域亟待解决的关键问题。
针对这一挑战，强金属-载体效应（SMSI）的引入为解决上述问题提供了全新的思路，并有望进一步提升催化剂的本征活性。特别地，通过构建外延型异质结构（例如hcp型Ru与Ni3N的结合），利用强界面耦合效应，可以实现对负载金属的有效锚定，并精准调控其电子结构。这一创新策略不仅有助于稳定Ru基催化剂的活性状态，还能显著提升其在电解水制氢过程中的催化效率，为实现氢能的高效、绿色生产开辟了新的道路。
研究要点
密度泛函理论（DFT）的研究结果显示，外延型钌团簇-氮化镍（cRu-Ni3N）异质界面能够优化对关键反应中间体的吸附强度，这一特性显著降低了析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的理论过电位，进而加速了反应的动力学过程。
我们利用六方密堆积型（hcp）钌（Ru）与氮化镍（Ni3N）晶格之间的高度匹配性，成功构建了一种外延型的cRu-Ni3N异质结构。
由于本征活性的提升以及反应机制的优化，所构建的外延cRu-Ni3N异质结构在碱性介质中展现出了卓越的OER/HER活性与耐久性。此外，该结构在碱性全解水、海水电解以及光伏-产氢系统中也展现出了巨大的应用潜力，预示着其在未来清洁能源领域的重要地位。
研究内容
依托于hcp型Ru与Ni3N两相晶格常数的高度匹配性，我们从理论与实验两个维度，对钌团簇-氮化镍异质结构间展现出的强耦合效应及其电催化活性进行了全面而深入的探索。
首先，通过密度泛函理论（DFT）的计算结果，我们清晰地观察到，当钌团簇与氮化镍基底实现有效耦合后，界面上的电荷密度会重新分布，这一变化直接促进了复合模型电子传导能力的提升。更为重要的是，由于电子结构的优化，cRu-Ni3N模型在OER反应中的关键步骤（从O到OOH的转变）以及HER反应速率控制步骤（从到H的转变）上所需的理论过电位均显著降低，从而使得其本征活性得到了大幅度的增强。
图1. cRu-Ni3N外延异质结构的（a）差分电荷密度、（b）态密度，以及对（c）OER、（d）HER反应路径的吉布斯自由能分析。
通过在Ni3N纳米片阵列表面精确锚定Ru团簇，我们成功制备出了cRu-Ni3N异质结构。为了全面验证这一材料的物相组成及其界面间的电子交互作用，我们采用了一系列先进的光谱学技术。尤为值得一提的是，通过球差校正透射电子显微镜（STEM）的直接观测，我们清晰地捕捉到了在Ni3N基底上外延生长的Ru团簇，这一发现有力地证实了cRu-Ni3N外延异质结构已被成功构建。
图2. （a）cRu-Ni3N异质结构的合成示意图；cRu-Ni3N的（b）XRD谱图、（c-d）XPS拟合分峰、（e-g）电镜表征结果。
接着，我们评估了cRu-Ni3N异质结构在电催化析氧（OER）和析氢（HER）反应中的性能。结果显示，在碱性环境下，cRu-Ni3N的催化活性超越了商业催化剂（如RuO2和Pt/C）。具体而言，对于OER，cRu-Ni3N在226 mV过电势下即可达到20 mA cm⁻²的电流密度，同时展现出卓越的反应动力学和长周期稳定性。而对于HER，其仅需32 mV过电势即可驱动10 mA cm⁻²的电流密度。
图3. （a-c）cRu-Ni3N异质结构的电催化OER活性、Tafel斜率、稳定性测试；（d-e）cRu-Ni3N的HER催化性能展示。
cRu-Ni3N异质结构在实际电化学应用中的潜力得到了进一步展现，具体涵盖了碱性全解水、海水电解以及光伏-产氢系统等多个领域。在这些应用中，cRu-Ni3N电极均表现出色，预示着其有望成为商业催化剂的优秀替代选项。
图4. cRu-Ni3N异质结构在（a-c）传统电解水、（d-f）海水电解及（g）光伏-产氢系统中的应用展示。
