Chenxi Zhang, Honghua Song, Zhichong Wang, Qing Ye, Dan Zhang, Yanxia Zhao*, Jiani Ma*, and Yongliang Cheng*. Small, 2024, 2311667. DOI: 10.1002/smll.202311667.

碱性析氢反应（HER）中缓慢的水离解动力学和复杂的反应途径，导致了高能垒和低能量利用效率，不利于碱性水裂解的应用。为了解决上述问题，通常需要高活性的HER电催化剂来加速反应动力学和减小能量消耗。与铂相比，Ru的价格相对较低，因此被认为是铂基HER电催化剂的理想替代品。然而，由于强金属-氢键和缓慢的水解离动力学，其在碱性溶液中的HER活性仍不令人满意。为了解决上述问题，最有效的方法之一是通过设计合适的载体来构建异质结构，一种新型电催化剂载体不仅要调节Ru的局部电子环境，加快水的解离，优化H*吸附；而且要具有良好的导电性，能加快电子传输速率。

图1. Ru/TiO₂/NC的(a) XRD；(b)制备流程图；(c)低分辨(d) 高分辨TEM图像；(e) HAADF-STEM以及EDS映射图像

在本文中，我们通过静电纺丝以及随后的热处理，构建了分散在二氧化钛以及氮掺杂的碳材料复合异质结纳米纤维上的钌纳米团簇(Ru/TiO₂/NC)作为高效的HER电催化剂。氢结合能测试、氢自由基淬灭实验和理论计算等一系列理化表征结果表明，与单一的碳材料和二氧化钛相比，TiO₂/NC作为支撑材料能更有效地促进水的解离，并优化对*H的吸附，从而显著提高Ru的HER活性。最佳的Ru/TiO₂/NC纳米纤维只需要只需18 mV的过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度，在碱性溶液中优于优于Ru/NC纳米纤维、Ru/TiO₂纳米纤维和商用Pt/C。本研究强调了异质结载体在提高HER活性方面的关键作用，这种策略可扩展到构建其他类型的载体用于电催化反应中。

图2 Ru/TiO₂/NC纳米纤维和对比样品在1.0 M KOH中的HER性能。(a) LSV图，b) Tafel斜率图，(c) EIS图，(d) CV图，(e)添加和不添加1.0 M TBA在50和100 mA cm⁻²处的过电位，(f)稳定性测试图

第一作者：西北大学硕士生张晨曦

通讯作者：西北大学赵艳霞教授、陕西师范大学马佳妮教授、西北大学程永亮教授

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311667