异相同质结RuTe2内置电场驱动超快析氢反应动力学的机制研究与催化性能突破

针对碱性条件下析氢反应(HER)催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过理论预测指导，采用温度调控熔盐辅助策略构建了正交/立方异相同质结RuTe2(m-RuTe2)。该催化剂因两相功函数差异形成内置电场，优化了电荷分布和氢吸附能力，仅需35 mV过电位即可达到10 mA cm?2电流密度，性能超越Pt催化剂，为高性能催化剂设计提供了新思路。

　　

氢能作为高能量密度且环境友好的能源载体，其可持续发展备受关注。目前利用可再生电力结合水电解技术获取"绿氢"是最理想途径，但其中析氢反应(HER)依赖贵金属铂(Pt)催化剂，不仅成本高昂，还存在稳定性问题。钌(Ru)虽被视为Pt的廉价替代品，但单相催化剂的性能提升已接近瓶颈。如何通过结构设计突破电子传递和中间体吸附的能垒限制，成为催化领域的关键挑战。

针对这一难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表创新成果。研究首先通过密度泛函理论(DFT)预测发现，正交相(o-RuTe₂)与立方相(c-RuTe₂)的功函数存在0.23 eV差异(4.46 eV vs 4.23 eV)，据此提出异相同质结结构可诱导内置电场的理论假设。基于此，团队开发了温度调控的熔盐辅助合成策略，成功制备出双相耦合的m-RuTe₂催化剂。

研究采用的主要技术包括：DFT理论计算预测电子结构特性；X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征晶体结构；电化学工作站测试HER性能；X射线光电子能谱(XPS)分析表面电荷分布。

【理论分析】章节显示，构建的m-RuTe₂模型存在明显的电荷重分布现象，界面处电子从c-RuTe₂向o-RuTe₂转移，形成局域电场。这种电子重构使Ru位点的d带中心下移，优化了氢吸附自由能(ΔG_H*)。

【材料合成】部分证实，通过精确控制反应温度(700-800°C)和熔盐(LiCl/KCl)介质比例，可获得两相比例可控的异质结构。电镜观察显示两相界面存在原子级紧密接触，保证了电子传输通道的畅通。

【催化性能】数据显示，m-RuTe₂在1 M KOH中仅需35 mV过电位即可驱动10 mA cm^?2电流密度，显著优于单相o-RuTe₂(62.3 mV)和c-RuTe₂(164.3 mV)，甚至超越商用Pt/C催化剂。塔菲尔斜率(31.5 mV dec^?1)表明其具有更快的反应动力学。

【稳定性机制】研究发现，强耦合的Ru-Te结构单元能有效抑制Ru的脱金属化行为，经过1000次循环伏安测试后活性仅衰减4.8%，远低于商业RuO₂的23.6%衰减率。

结论部分强调，该研究通过"理论预测-结构设计-性能验证"的研究范式，首次证实异相同质结结构可通过内置电场效应优化催化活性。m-RuTe₂展现的电荷平衡效应、适中的Ru-Te轨道杂化程度以及优化的氢吸附能力，为设计非贵金属基高效HER催化剂提供了新思路。特别值得注意的是，该催化剂在保持单组分化学稳定性的同时，实现了多组分复合材料的性能优势，这一发现可能推动均相催化材料设计范式的变革。研究还指出，该策略可拓展至其他具有多晶相特性的催化体系，对发展新型能源转换材料具有普适性指导意义。