碳纳米管负载镍硫化物锚定钌单原子催化剂的设计及其高效电催化析氧性能研究

本研究针对电解水制氢中析氧反应(OER)动力学缓慢的瓶颈问题，通过将钌(Ru)单原子嵌入碳纳米管(CNTs)负载的Ni3S2-NiS纳米颗粒中，构建了具有Ru-S-Ni活性中心的Ru@Ni3S2-NiS/CNTs催化剂。该催化剂在碱性条件下仅需221 mV过电位即可达到10 mA cm?2的电流密度，Tafel斜率低至74.1 mV dec?1，性能超越商用Ir/C催化剂，为单原子催化剂在能源转换领域的应用提供了新思路。

　　

随着全球能源危机和环境恶化加剧，开发高效可持续的氢能技术成为研究热点。电解水制氢过程中，析氧反应(OER)因涉及四电子转移过程而成为速率限制步骤。虽然贵金属铱(Ir)和钌(Ru)基催化剂性能优异，但其高昂成本制约了大规模应用。与此同时，镍硫化物(Ni_xS_y)虽具有成本优势，却面临导电性差、电荷转移能力不足等挑战。如何通过原子级精准调控提升非贵金属催化剂的OER性能，成为能源材料领域的关键科学问题。

山西师范大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，创新性地将Ru单原子锚定在碳纳米管(CNTs)负载的Ni₃S₂-NiS纳米颗粒中，构建了具有独特电子结构的Ru@Ni₃S₂-NiS/CNTs催化剂。该工作通过水热合成结合溶液法制备材料，利用球差校正透射电镜确认Ru单原子分散，结合X射线吸收谱解析Ru-S-Ni配位结构，并通过密度泛函理论(DFT)计算阐明活性位点作用机制。

材料合成与表征
通过分步合成策略，先在CNTs上生长Ni前驱体，经硫化处理形成Ni₃S₂-NiS纳米颗粒，最后引入RuCl₃溶液实现Ru单原子掺杂。高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)显示Ru以单原子形式存在于Ni₃S₂-NiS晶格中，X射线光电子能谱(XPS)证实Ru与S形成强电子相互作用。

电催化性能
在1 M KOH电解液中，优化后的催化剂仅需221 mV过电位即可达到10 mA cm^?2的OER电流密度，比商用Ir/C低59 mV。Tafel斜率74.1 mV dec^?1表明其具有更快的反应动力学。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻显著降低，稳定性测试100小时后活性衰减仅5.3%。

机理研究
DFT计算揭示Ru单原子掺杂能有效调控Ni₃S₂-NiS的电子结构，降低决速步(*O→*OOH)能垒至1.32 eV。差分电荷密度分析表明Ru-S-Ni位点促进电子离域，优化了反应中间体的吸附/脱附能。

该研究不仅创制了性能超越贵金属的OER催化剂，更通过原子级结构调控策略为单原子催化剂设计提供了普适性方法。将高活性Ru单原子与低成本Ni_xS_y载体相结合，实现了贵金属用量的大幅降低（Ru负载量仅0.37 wt%），为发展经济高效的能源转换材料开辟了新途径。理论计算与实验表征的深度融合，也为理性设计高性能催化剂提供了重要范式。