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碱性氢气析出反应（HER）的一个主要挑战在于界面水的不足和活性低下，导致反应效率受限。为了克服这一瓶颈，研究人员提出了一种“原位破坏与邻位补偿”策略，通过双金属RuNi纳米合金种植在超亲水高曲率碳纳米笼上，有效优化了界面水的氢键网络，增强了水的解离和氢中间体的吸附。
成果简介
本研究设计了一种双金属RuNi/NC催化剂，成功在超亲水的碳纳米笼上形成了尖端强化的纳米合金结构。通过理论模拟和同步辐射X射线光谱，研究证实了这种结构显著改善了氢气析出反应的中间体吸附，并通过Ru和Ni的协同作用实现了高效的Volmer-Tafel机制。实验结果显示，RuNi/NC在碱性介质中的HER过电位仅为12 mV，耐久性高达1600小时。
研究亮点
纳米合金尖端效应：RuNi/NC通过尖端局部电场效应，集中电解液中的K⁺，显著优化了界面水的动力学性能。
协同作用机制：Ru和Ni双位点协同作用，通过氢气溢出机制，显著加速了Volmer-Tafel反应步骤。
超高HER活性：在10 mA/cm²的电流密度下，RuNi/NC的过电位仅为12 mV，表现出超越现有Pt/C催化剂的性能。
配图精析
图1: MNi/NC催化剂的合成与表征
图1展示了MNi/NC（M=Ru, Pt, Pd, Cu, Zn）催化剂的合成过程与形貌表征。通过Kirkendall空洞效应，形成了高曲率的碳纳米笼结构，并在其表面负载双金属纳米合金。HAADF-STEM图像显示了纳米合金在碳纳米笼上的均匀分布。
图2: RuNi/NC的3D电子断层扫描与X射线吸收光谱
图2通过3D电子断层扫描显示了RuNi纳米合金在碳纳米笼中的嵌入状态。XANES和FT-EXAFS光谱进一步确认了Ru和Ni原子的局部电子结构与配位环境，表明了Ru-Ni合金的形成。
图3: RuNi/NC的HER电催化性能
图3展示了RuNi/NC在1 M KOH中的HER性能曲线，相比Ni@NC和Pt/C，RuNi/NC表现出最低的过电位和最高的质量活性。Tafel斜率分析表明，RuNi/NC具有快速的HER动力学，并遵循Volmer-Tafel机制。
图4: 电场模拟、DFT计算与同步辐射X射线吸收光谱研究
图4展示了电场效应下K⁺富集的电子密度分布和氢气析出反应（HER）中水的吸附与解离机制。通过有限元模拟计算，不同曲率半径的尖端电极在负电位下显著富集K⁺，从而增强HER活性。自由能图和态密度（PDOS）分析表明，Ru和Ni活性位点在K⁺与电场的共同作用下，促进了H₂O的有效解离和H⁺的生成。X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）进一步验证了催化剂在电解条件下的局部结构演变。
展望
通过将RuNi双金属纳米合金负载在超亲水的碳纳米笼上，本研究显著提高了氢气析出反应的活性与稳定性。未来的研究可以进一步优化纳米合金的设计，实现更高效的电催化性能，特别是在工业氢气生产和氯碱工业中的应用潜力。
文献信息
标题: Bimetallic nanoalloys planted on super-hydrophilic carbon nanocages featuring tip-intensified hydrogen evolution electrocatalysis
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-51370-1
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51370-1
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