三单位联合AEM：Co活化非晶Ru金属烯实现高效电解水

由于对能源危机和全球变暖日益加剧的担忧，探索化石燃料的替代能源势在必行。目前，绿色氢由于其优越的能量密度和燃烧产物的环境友好性，被广泛认为是一种有吸引力的清洁燃料。其中，电解水制氢是一种有利于可再生能源转换和储存的策略，但这种清洁能源技术的效率和绿色氢的规模化生产取决于开发成本低、性能高的电催化剂。

到目前为止，用于析氢反应(HER)的Pt和用于析氧反应(OER)的Ir/Ru基氧化物性能最为优异，但贵金属固有的稀缺性和较高的成本不可避免地限制了电解水的商业化。因此，通过纳米结构设计最大化贵金属的原子利用效率、通过合金化/掺杂杂原子修饰催化剂电子结构来提高催化剂的本征活性等已被广泛研究。此外，制备双功能电催化剂也非常可取，因为这可以直接降低制造和运行成本。

基于此，浙江海洋大学周英棠、台湾同步辐射研究中心林彦谷和南洋理工大学Jong-Min Lee(共同通讯)等人报道了一种简单的方法，用于构建原子级薄的无定形RuM(M=Co，Fe或Ni)双金属烯，并将其作为高性能的HER和OER电催化剂。

本文在N₂饱和的1 M KOH电解质中，利用标准的三电极体系以及商业电催化剂(RuO₂和20wt% Pt/C)来研究RuM双金属烯的HER和OER电催化活性。测试后发现，在所有研究的催化剂中，RuCo双金属烯表现出最高的HER催化活性，从其起始电位和较低的过电位可以看出，其通过仅24.9 mV的过电位就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，优于RuFe(29.8 mV)，RuNi(53.12 mV)，Ru(54.4 mV)和20% Pt/C(41.6 mV)。

RuCo双金属烯除了具有优异的碱性HER性能外，其还在N₂饱和的1 M KOH电解质中表现出优异的OER活性，其达到10 mA cm^-2的电流密度的过电位仅为245 mV，这比RuNi(273 mV)、RuFe(324 mV)、Ru(279 mV)和商业RuO₂(329 mV)要低得多。考虑到RuCo双金属烯在碱性条件下具有较高的HER和OER活性，本文利用双电极电解槽研究了该材料的全解水活性。

令人满意的是，当使用RuCo/NF进行全水解时，RuCo/NF||RuCo/NF仅需要1.492 V的电压就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，远低于Pt/C||RuO₂(1.613 V)所需的电压。更重要的是，在1.84 V电压下，RuCo/NF可以达到250 mA cm^-2的高电流密度，而Pt/C||RuO₂则需要约2 V的电压才能达到相同的电流密度。

本文的理论计算表明，Co和Ru在双金属烯结构中的非晶原子排列有效地改变了催化剂的电子性质和反应能，从而提高了催化剂的催化活性。特别是RuCo双金属烯表现出较强的水吸附能和水解离能，活化能仅为0.22 eV。

此外，Co的电子协同作用使Ru的d带中心上升，从而使得催化剂具有合适的H吸附自由能，进而加速了催化剂的HER过程。通过优化的反应热力学和有利于活性中心快速再生的双氧分子释放，材料也表现出增强的OER活性。Operando XAS研究揭示了RuCo双金属烯在反应条件下的协同多活性位点微动力学。

Co原子迅速结合^*OH，从而在HER中加速催化表面的水解离，同时在OER中也作为补充活性位点。同时，Ru表现出自适应氧化还原过程，在HER条件下演变为具有丰富电子密度的金属态，有利于H^*吸附和脱附，并且还在电化学OER过程中演变为具有高活性的氧化态。

由于具有良好的材料结构，RuCo双金属烯表现出更好的全水解活性，显著优于商业催化剂。总之，本研究对钌基双金属烯的制备、电催化特性和结构-功能关系提供了深入的见解，并为进一步制备和合理设计用于能源应用的高效电催化剂提供了有前景的途径。

Activating Amorphous Ru Metallenes Through Co Integration for Enhanced Water Electrolysis, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202301119.

https://doi.org/10.1002/aenm.202301119.

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