双原子调控的RuBi SAA/Bi@OG纳米结构高效析氢

发展可再生能源驱动的高效碱性HER催化剂是实现大规模电解水制绿氢的关键。而Ru纳米粒子是最有发展前景的HER催化剂，其表面电荷的重新分布能够显著影响与反应中间态的结合强度进而影响HER性能。那么，如何在原子水平上调控Ru 纳米粒子以达到表面电荷的最佳分布呢？近日，中国科学技术大学吴宇恩教授（点击查看介绍）团队发展了一种双原子调控策略，通过一步热解法获得了具有高效碱性HER活性的新型RuBi SAA/Bi@OG纳米结构。

氢气是一种重要的清洁能源，同时也是生产公共化学品（如碳氢化合物和氨）的重要原料。然而大约95% 的氢气来源于化石燃料的重整。故非常有必要发展可再生能源驱动的电解水制氢技术，其中，开发高效碱性HER催化剂是实现大规模电解水制绿氢的关键。Ru作为铂族金属中最廉价和存储丰富的贵金属，是最具有发展和广泛应用价值的催化剂，然而其表面较弱的水解离和过强的氢吸附限制了析氢性能的进一步提高。根据报道，Ru表面电荷的重新分布能够显著影响与反应中间态的结合强度进而影响HER性能。通常情况下通过异原子掺杂可以直接影响Ru表面电荷分布，但由于过多的引入异原子容易覆盖Ru表面的活性中心从而影响活性的提高，很难充分调控Ru表面电荷以获得高效碱性HER性能。故在此基础上如何在不覆盖活性位点的情况下进一步充分调控Ru表面电荷十分关键。

中国科学技术大学吴宇恩教授团队发展了一种双原子调控策略，利用Ru和Bi金属之间巨大的熔沸点差异，通过一步热解法成功合成了一种同时受合金Bi单原子和邻近Bi−O单位点协调控的RuBi SAA/Bi@OG纳米结构。先进的 XAFS 和AC-HAADF STEM表征结果有力地证明了Ru纳米粒子周围同时存在的合金Bi单原子和邻近Bi−O单位点。XAFS和XPS等数据分析结果充分揭示了合金Bi单原子和邻近Bi−O单位点对Ru表面电荷在分布的协同调控作用，这与理论计算结果完全相符。

图1. RuBi SAA/Bi@OG纳米结构构建过程示意图和形貌表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这种双原子调控的RuBi SAA/Bi@OG纳米结构表现出了优越的碱性HER活性和稳定性。过电位、TOF和质量活性分别是 17.5 mV (@–10 mA cm^–1 )、25.7 s^–1  (@100 mV) 和 65000 mA mg^–1 (@150 mV)。DFT理论计算表明Ru纳米粒子表面电荷再分布的充分调节使其获得了最佳的表面电荷分布态，有效增强了Ru活性位点的水吸附强，同时降低了氢吸附自由能，从而显著增强了HER活性。

图2. RuBi SAA/Bi@OG纳米结构在碱性电解质中的HER性能。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一结果近期发表在了Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章第一作者是中国科学技术大学博士后赵肖乐。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Double Atomic-Tuned RuBi SAA/Bi@OG Nanostructure with Optimum Charge Redistribution for Efficient Hydrogen Evolution

Xiaole Zhao, Geng Wu, Xusheng Zheng, Peng Jiang, Jun-dong Yi, Huang Zhou, Xiaoping Gao, Zhen-Qiang Yu, Yuen Wu

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202300879

吴宇恩教授简介

吴宇恩，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学第一附属医院兼职教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及其工业化应用探索。2015年获基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助并任首席，2017年获得中组部青年拔尖人才资助，2018年获得中国化学会纳米化学新锐奖，2019年获得中国化学会青年化学奖，2020年获得霍英东青年教师奖。近年来，以通讯作者在国际主流期刊发表学术论文100余篇，包括Nat. Catal. 3篇，Nat. Commun. 5篇、J. Am. Chem. Soc. 10 篇、Angew. Chem. Int. Ed. 14篇，Adv. Mater 5篇，PNAS 1 篇，Joule 1篇，Chem 2篇，Energy. Environ. Sci. 1篇等，论文总引用17000余次, h-index 58。2020-2022年入选科睿唯安高被引科学家。目前担任期刊Science Bulletin副主编，Science China Materials编委，Small Methods 客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委。Chemical Research in Chinese Universities 青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员。

https://www.x-mol.com/university/faculty/35052