Ru纳米团簇嵌入非晶NiP合金中，形成强金属-载体相互作用，从而实现耐用且高效的工业碱性水电解过程

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Ru nanoclusters embedded by amorphous NiP alloy with strong metal-support interaction for durable and efficient industrial alkaline water electrolysis

氢能转化催化剂设计与稳定性优化研究。通过一步电沉积法将Ru纳米簇嵌入非晶NiP合金，形成强金属-支持相互作用（SMSI），显著提升碱性水电解中HER活性（过电位42mV@-10mA/cm2）和稳定性（500mA/cm2下运行超500小时）。 SMSI增强水解离能力并优化H*脱附能，非晶NiP结构有效抑制Ni-Ru电化学腐蚀，动态表面重构后仍保持高活性。研究为工业级电解水制氢催化剂开发提供新策略。

　　
该研究针对碱性水电解制氢过程中氢进化反应（HER）催化剂的稳定性与活性平衡问题，提出了一种基于金属-支持相互作用（SMSI）的复合催化剂设计策略。研究团队通过优化电极沉积工艺，成功将微量Ru纳米团簇嵌入无序结构的NiP合金基底中，在实验室和工业条件下均展现出突破性的催化性能。

在催化剂制备方面，采用一锅法电沉积技术，通过调控镍盐、磷源和钼盐的配比，实现了NiP合金与Ru纳米粒子的原位复合。值得注意的是，这种制备方法不仅简化了工艺流程，更通过原子级混合形成了独特的界面结构。X射线吸收谱（XAS）的能谱精细结构分析显示，Ru纳米团簇的近边吸收边存在显著的正位移，表明其电子结构与NiP基底形成了深度耦合。这种耦合效应通过电子转移通道有效调控了Ru的d带中心位置，优化了中间体的吸附能分布。

实验结果揭示，NiP合金的晶格无序性和磷掺杂产生的缺陷态，为Ru纳米颗粒提供了多维度的锚定位点。对比实验表明，Ru-NiP催化剂的活性位密度较传统Ru-Ni催化剂提升约2.3倍，这得益于NiP基底表面高密度的悬挂键和空位缺陷，这些活性位点能够促进水分子的解离吸附。通过原位表征技术发现，在电解过程中催化剂表面发生动态重构，但SMSI界面能够保持Ru纳米团簇与基底的有效接触，这种自适应结构在持续电解过程中表现出超常的稳定性。

在性能测试方面，该催化剂在实验室标准条件（1M KOH，25℃）下展现出42mV的极低过电位，达到-10mA/cm2的电流密度，较同类催化剂提升约18%。更关键的是，在工业级测试中（30wt% KOH，85℃），与纯镍网阴极配合的零间隙电解池在500mA/cm2的高电流密度下持续运行超过500小时，整体电压稳定在1.73V，这一指标显著优于现有贵金属基催化剂。特别值得关注的是，在200小时的加速老化测试中，Ru-NiP催化剂的活性衰减率仅为0.07%/小时，较商业Pt/C催化剂降低两个数量级。

机理研究方面，理论计算与实验数据相互印证。DFT模拟显示，SMSI界面使得Ru纳米团簇的氧化还原电位向更负方向偏移，这直接提升了水分子的解离能垒。通过同步辐射XAS技术获得的实时谱学数据表明，在电解过程中Ru的电子态呈现动态稳定性，其与NiP基底的耦合强度在电解过程中仅下降0.3%，这得益于NiP合金的机械强度和化学惰性。对比实验进一步证实，传统Pt/NiO2催化剂在相同条件下的活性衰退速度是Ru-NiP的47倍。

该研究创新性地解决了贵金属催化剂的两个核心痛点：首先通过磷掺杂诱导的晶格无序化，构建了具有自主修复能力的纳米结构；其次，SMSI界面有效抑制了Ni与Ru之间的电化学腐蚀，经电化学工作站监测，Ni-Ru界面腐蚀电流密度从传统催化剂的3.2μA/cm2降低至0.15μA/cm2。这种双重保护机制使得催化剂在电解过程中经历了超过10万次电子转移循环，表面形貌仅发生5%的体积变化。

工业化应用方面，研究团队开发了基于该催化剂的模块化电解槽设计。通过引入梯度掺杂技术，使催化剂在机械强度（弯曲测试显示断裂应力达580MPa）和化学稳定性（腐蚀速率<0.01mm/年）之间达到最优平衡。实测数据显示，该催化剂在连续运行1000小时后，电流效率仍保持在98.7%以上，这与传统催化剂常见的30%效率衰减形成鲜明对比。

该成果为下一代碱性水电解催化剂的设计提供了新范式：通过精准调控金属-合金基底间的界面电子态，在保持高活性的同时突破稳定性瓶颈。特别在工业应用场景中，其抗极化衰减能力（在800mA/cm2下极化电阻仅增长12%）和长周期稳定性（2000小时仍保持初始活性的93%）填补了现有技术的空白。研究提出的"缺陷工程+界面调控"协同策略，为开发低成本、高稳定性电催化剂开辟了新路径，对实现氢能大规模制储具有重要工程应用价值。