氢气是一种理想的清洁、可再生能源载体，在未来的储能/转换系统中具有潜在的应用潜力。然而，最常见的工业制氢方法，如天然气和甲醇重整，将产生大量的二氧化碳，这难以满足双碳目标的要求。电催化水裂解（EWS）产氢具有零碳排放的特点，被认为是一种很有前途的生产高纯度氢气的方法。然而，EWS的效率受到阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）的动力学控制。到目前为止，商用的Pt/C和IrO2材料一直被认为是HER和OER的有效催化剂，但它们具有稀缺性、稳定性差、成本高的特点。更重要的是，这些催化剂在工业电流密度（≥500 mA cm-2）下的EWS性能更加受限，阻碍了其在EWS中的实际应用。
近日，北京理工大学王博教授、杨文秀特别研究员和香港理工大学Bolong Huang教授合作，以金属载体和负载纳米颗粒之间的异质界面为研究对象，提出一种简便的异质结构诱导策略来优化Ru-Ni3N/NiO的金属-载体相互作用（MSI）和EWS活性。该催化剂在工业级电流密度下仍然能够保持高活性和优异的稳定性。
1、 本文亮点：
1) DFT计算首先表明，Ru-Ni3N/NiO中独特的三相异质结构可形成一个具有Ru和Ni双位点调控d带中心的高电活性表面。通过建立电化学重构后的DFT模型（RuOx-NiOOH-Ni3N/NiO界面），进一步确认了OER过程中的真实活性位点。
2) 异质界面协同效应和MSI的增强使Ru-Ni3N/NiO具有优异的电催化活性和稳定性。该催化剂在1000 mA cm−2下的过电位仅有190 mV和385 mV，在15000次CV循环和CP稳定性测试（大于100小时）后均无明显变化。
3) 基于Ru-Ni3N/NiO的EWS器件在碱性纯水和海水条件下可以分别在1.74 V和1.80 V下达到工业级电流密度（1000 mA cm−2）。此外，它还能在碱性纯水中达到1000小时（@ 500 mA cm−2）的长期稳定性。
2、 图文解析：
图1：Ru-Ni3N、Ru-NiO、Ru-Ni3N/NiO和RuOx-NiOOH-Ni3N/NiO的理论计算结果
密度泛函理论（DFT）计算首先表明，与单相金属载体催化剂（Ru-Ni3N和Ru-NiO）相比，Ru-Ni3N/NiO异质结构可形成一个具有Ru和Ni双位点的调制d带中心的高电活性界面。此外，独特的三相异质界面优化了Ru-Ni3N/NiO的结构稳定性、电子分布和轨道耦合，从而降低了EWS的能垒，提高其电催化活性。更重要的是，作者通过建立OER重构后的DFT模型（RuOx-NiOOH-Ni3N/NiO界面）来确认OER过程中的真实活性位点，证实了重构界面可以通过调节Ru和Ni位点的d带中心来有效提高电化学活性和稳定性。
图2：催化剂的制备过程、形貌及元素分布
作为概念验证，本文成功地构建了具有二维超薄Ni3N/NiO异质结构纳米片阵列、均匀分散的Ru纳米颗粒和强MSI的Ru-Ni3N/NiO催化剂。Ru纳米粒子与异质结Ni3N/NiO所形成大量三相界面，为EWS提供了丰富的表面活性位点。界面效应和MSI的增强使Ru-Ni3N/NiO具有优异的活性和稳定性。
图3：催化剂的结构表征
采用掠入射X射线衍射（GIXRD）和x射线光电子能谱（XPS）对所得催化剂的组成和表面价态进行了研究。Ru-Ni3N/NiO的衍射峰与Ru、Ni3N和NiO完全一致，证实了Ru-Ni3N/NiO中这三相的成功形成（图3a）。Ru-Ni3N/NiO的高分辨率Ru 3p谱（图3c）表明金属Ru0的存在。为了进一步确定Ru物种的化学配位态和电子结构，作者也进行了X射线吸收光谱（XAS）测量，与Ru箔和RuO2样品相比，证实Ru在Ru-Ni3N/NiO中呈现金属态主导相。
图4：催化剂的电催化性能及其反应能垒的计算
在1.0 M氢氧化钾溶液中研究了催化剂的HER和OER性能，与大多数报道的水分解催化剂相比，Ru-Ni3N/NiO表现出优异的电化学活性与动力学，在 1000 mA cm-2的条件下，过电位分别仅为190 mV和385 mV。HER质量活性更是达到了29.42Amg−1 Ru，是商业化Pt/C电极的40.3倍。Ru-Ni3N/NiO在280 mV的过电位下也表现出16.5A mg−1Ru的OER质量活性，远高于Ru-Ni3N（2.0Amg−1Ru）和Ru-NiO（1.3Amg−1Ru）。此外，Ru-Ni3N/NiO催化剂显示出卓越的催化稳定性，在15000次CV循环和CP稳定性测试（> 100 h）后性能均无明显变化。
图5：Ru-Ni3N/NiO(+,-)水电解槽装置的性能
在这种基于Ru-Ni3N/NiO(+.-)的整体水分裂装置中，只需要1.74 V的电压就可以实现工业电流密度（1000 mA cm−2）。同时，由1.5 V电池驱动的Ru-Ni3N/NiO(+,-)电解槽在1.0 M氢氧化钾中工作良好，气泡释放显著（图5b）。此外，通过气相色谱（GC）评价了该电解槽在1.0 M氢氧化钾中的法拉第效率（FE），在不同电流密度下的FE值均超过97%，进一步证明了Ru-Ni3N/NiO用于水分解的高活性（图5c）。如图5d所示，在长期耐久性CP试验中，测量的氢气和氧气的体积比接近2：1，与理论结果一致。Ru-Ni3N/NiO(+,-)电解槽具有惊人的耐久性，在500 mA cm−2的工业电流密度下，稳定性测试1000 h后几乎没有明显的活性衰减，进一步证实了催化剂的优良稳定性（图5e）。
论文标题：Enhanced Metal-Support Interactions Boost the Electrocatalytic Water Splitting of Supported Ruthenium Nanoparticles on a Ni3N/NiO Heterojunction at Industrial Current Density
论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202312644
DOI：10.1002/anie.202312644
课题组介绍：
王博，北京理工大学党委常委、副校长，高能量物质前沿科学中心主任，教授。国家万人计划领军人才，国家杰出青年基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才。获“科睿唯安世界高被引科学家”，“中国化学会青年化学奖”，北京青年五四奖章等荣誉。现任中国科协常务委员，教育部科技委委员；国际IZA学会MOF Commission常务理事，科技部氢能专项总体组专家，中国交通部环境与可持续发展学会常务理事，国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，中关村氢能技术联盟副理事长，中国交通部环境与可持续发展学会理事，兼职担任京津冀国家技术创新中心理事；APL Materials主编，中国化学快报、中国化学学报和Scientific Reports等杂志编委，安全与环境学报副主编。主要从事新型纳米多孔材料、开放框架聚合物理论与设计及其在关键分离过程、环境防护以及能源气体生产与储能等领域的应用研究。在 Nature 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 等学术期刊上发表100余篇论文，授权专利20余项。
杨文秀，北京理工大学，博导，特别研究员。主要从事功能化纳米材料的合成及其在催化、新能源领域的应用（电解水、锌–空气电池、燃料电池和CO2还原等）。近年来，已经以第一/通讯作者的身份在 Chem. Soc. Rev. 、 Trends Chem. （ Cell 子刊）、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Energy Environ. Sci. 、 ACS Energy Lett. 等国际著名期刊上发表论文30篇，总引用4000余次。申请发明专利9项，授权3项。此外，主持国家自然科学基金项目3项、博士后基金1项、北京理工大学启动计划1项。担任《Nano Research Energy》、《Nano-Micro Letters》、《结构化学》期刊青年编委。