调控镍（氢）氧化物表面 OH 物种的路易斯碱性以实现高效析氢：开辟电催化制氢新路径

在阴离子交换膜水电解制氢中，碱性介质里析氢反应（HER）速率慢。研究人员通过退火 Ru/Ni (OH)2 调控表面 OH 物种电子态。结果显示，300℃退火的 Ru-Ni-300 催化剂 HER 性能优异。这揭示了表面 OH 碱性与 HER 效率的关系，为设计电催化剂提供新思路。

　　

研究背景

随着全球对清洁能源需求的不断增长，可持续的氢能凭借其高 calorific value（热值）和零碳排放的优势，成为极具潜力的绿色能源载体。在众多制氢技术中，阴离子交换膜水电解（Anion-exchange membrane water electrolysis）因有望实现大规模制氢而备受关注。然而，该过程中的析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，HER）在碱性介质中的反应速率比酸性电解质中慢约两个数量级，这一问题严重制约了制氢效率，也促使科研人员深入探索其背后的机制。

为了解决 HER 在碱性介质中反应速率慢的难题，科研人员提出了诸多影响 HER 动力学的参数和描述符，如氢键能、界面电场、阳离子 - 界面相互作用和水重组能等。其中，将亲氧组分引入贵金属可显著提升碱性条件下的 HER 动力学。例如，有研究通过在贵金属表面修饰过渡金属氧化物或氢氧化物，促进了水的解离和质子转移，进而提高了 HER 效率。但表面 OH 基团与界面水之间的相互作用仍未完全明晰，如何通过调控 OH 基团的电子态来调节界面氢键网络和 HER 动力学，成为亟待解决的关键问题。

研究概况

在这样的背景下，来自未知研究机构的科研人员开展了一项关于调控镍（氢）氧化物表面 OH 物种路易斯碱性对 HER 影响的研究。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为优化电催化剂设计、提升制氢效率提供了新的理论依据和实践指导。

研究方法

研究人员采用多种技术手段探究表面 OH 物种的性质及其对 HER 的影响。通过水热反应在预处理的碳布（Carbon Cloth，CC）上生长 Ni (OH)₂纳米片阵列，再用电沉积法在其表面沉积 Ru 得到 Ru/Ni (OH)₂ ，随后在不同温度下退火处理制备一系列催化剂（Ru-Ni-x，x = 250, 300, 350, 400）。利用 X 射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）分析表面 OH 物种的电子态和路易斯碱性；采用原位拉曼光谱（In-situ Raman spectroscopy）和准原位 XPS（Quasi-in-situ XPS）研究表面 OH 物种与界面水的相互作用以及 OH 的脱附行为；借助密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算从理论层面阐释表面 OH 物种电子密度对 OH 吸附能的影响。

研究结果

1. 催化剂的制备与表征：研究人员成功制备了一系列不同退火温度的 Ru/NiO-Ni (OH)₂催化剂。通过实验步骤可知，先生长 Ni (OH)₂纳米片阵列，再沉积 Ru，最后退火处理。这一系列操作改变了催化剂的结构和表面性质。
2. HER 性能测试：测试结果显示，在碱性介质中，300℃退火的 Ru-Ni-300 催化剂表现最为优异，在 100 mA/cm² 的电流密度下，过电位仅为 71 mV。这表明该催化剂能够在较低的能量损耗下实现高效析氢。
3. 表面 OH 物种的电子态分析：XPS 分析表明，Ru-Ni-300 催化剂表面的 OH 物种具有丰富的电子，呈现出较强的路易斯碱性。这意味着表面 OH 物种更容易与其他物质发生相互作用，为后续影响 HER 反应奠定基础。
4. 表面 OH 碱性与 HER 动力学的关系：原位拉曼光谱显示，增强的表面 OH 碱性促进了与界面水形成氢键网络，有利于中间产物的转移。准原位 XPS 进一步证实，Ru-Ni-300 表面的 OH 物种更易脱附。结合 DFT 计算可知，表面 OH 物种电子密度增加会降低 OH 吸附能，从而加速 HER 进程。

研究结论与讨论

该研究成功通过退火 Ru/Ni (OH)₂ 调节了表面 OH 物种的碱性环境。研究发现，表面 OH 碱性与 HER 动力学密切相关，Ru-Ni-300 催化剂表面 OH 物种的强路易斯碱性使其在 HER 反应中表现卓越。这一研究成果揭示了表面 OH 碱性与 HER 效率之间的直接联系，为设计先进的水电解电催化剂提供了新的视角。

以往研究虽关注到亲氧组分对 HER 的促进作用，但对表面 OH 基团与界面水的相互作用理解不足。本研究深入探究这一微观机制，从表面 OH 物种的电子态调控出发，阐明了其对氢键网络和 OH 脱附行为的影响，为优化电催化剂的表面环境提供了关键理论支持。未来研究可基于此，进一步拓展对其他催化剂体系表面 OH 物种的研究，探索更多调控表面性质的方法，以实现更高效的水电解制氢，推动清洁能源领域的发展。