钌铁不对称偶极协同效应加速钌掺杂铁镍层状双氢氧化物碱性水分解

本文推荐：针对电解水制氢中阳极氧析出反应(OER)动力学缓慢的瓶颈问题，广州大学研究人员通过构建钌铁不对称偶极结构，开发出钌掺杂铁镍层状双氢氧化物(Ru-FeNi-LDH)高效催化剂。该催化剂在1 M KOH中仅需230 mV过电位即可达到10 mA cm-2电流密度，全水解仅需1.52V电压且稳定运行80小时。研究揭示了Ru-Fe电子协同机制，为降低贵金属用量、设计高效OER催化剂提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，绿色制氢技术成为能源转型的关键突破口。电解水制氢虽然前景广阔，却始终被阳极氧析出反应(OER)这个"卡脖子"环节所制约——这个需要转移4个电子的复杂过程，就像一场需要跨越多重能量障碍的马拉松，使得整个反应效率大打折扣。目前性能最好的铱基催化剂虽然能"跑得快"，但价格堪比黄金；相对廉价的钌基催化剂虽成本降低七倍，但如何进一步减少贵金属用量仍是学界难题。

针对这一挑战，广州大学黄埔氢能源创新中心/化学化工学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有独特二维结构的铁镍层状双氢氧化物(FeNi-LDH)。这种材料本身就像由金属阳离子和氢氧根阴离子堆叠而成的"千层饼"，天然适合催化碱性OER反应。研究人员通过巧妙的一锅水热法，将原子级分散的钌(Ru)精准掺杂到FeNi-LDH骨架中，构建出新型Ru-FeNi-LDH催化剂，相关成果发表在《Materials Reports: Energy》上。

研究团队运用了多项尖端表征技术：通过电感耦合等离子体(ICP)精确测定元素含量，X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子配位环境，X射线光电子能谱(XPS)揭示电子结构变化，结合电化学测试系统评估催化性能。特别值得注意的是，他们利用同步辐射光源获取了Fe K-edge、Ni K-edge和Ru K-edge的X射线吸收近边结构(XANES)数据，为阐明电子转移机制提供了关键证据。

在材料设计方面，研究人员发现钌的掺杂存在"黄金比例"——当含量达到3.3 wt%时，催化剂展现出最优性能。扫描电镜(SEM)显示此时材料保持完好的纳米花状形貌，由厚度仅10 nm的超薄纳米片自组装而成，透射电镜(TEM)证实没有钌颗粒形成，表明钌以原子级分散状态存在。X射线衍射(XRD)图谱显示掺杂未产生新相，但晶面间距从0.2034 nm增至0.2067 nm，这种晶格应变可能优化了电子结构。

电子结构分析揭示了性能提升的奥秘。XPS显示钌掺杂后，Fe 2p结合能正移而Ni 2p保持不变，表明钌只与铁产生电子相互作用。EXAFS谱图进一步证实了Ru-Fe配位键的形成，而钌-钌键的缺失确认了钌的原子级分散状态。理论计算通过Bader电荷分析发现，Ru-Fe偶极呈现不对称电子分布——钌失去0.44个电子，铁则失去1.09个电子，形成局部缺电子环境，这种特性就像磁铁吸引铁屑一样，能强力捕获富含电子的OH^-离子，显著降低反应能垒。

电化学测试数据令人振奋：在1 M KOH电解液中，优化后的Ru-FeNi-LDH仅需230 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，远优于未掺杂的FeNi-LDH(280 mV)和商用RuO₂(350 mV)。其塔菲尔斜率低至77.7 mV dec^-1，电荷转移电阻仅1.0 Ω，表明反应动力学显著改善。在全水解测试中，以Pt/C为阴极组装的电解槽仅需1.52 V电压即可实现10 mA cm^-2的电流密度，且能稳定运行80小时。

稳定性研究发现一个有趣现象：经过8000次循环伏安(CV)测试后，未掺杂的FeNi-LDH活性反而提升，而Ru-FeNi-LDH中的钌和铁会协同溶出。透射电镜观察到测试后材料表面发生重构，电解液成分分析显示溶出的Ru(3066.04 μg L^-1)和Fe(1280.71 μg L^-1)远高于Ni(575.03 μg L^-1)，这为Ru-Fe偶极假说提供了有力佐证。

该研究不仅开发出性能优异的OER催化剂，更揭示了过渡金属协同作用的新机制。通过构建不对称Ru-Fe偶极结构，实现了电子结构的精准调控，为设计高效、低成本的电解水催化剂提供了全新思路。虽然材料在长期运行中的稳定性仍需优化，但这项工作无疑为绿色氢能产业的发展注入了新动能，展现出从基础研究到应用转化的巨大潜力。正如研究者所言，这种"以少胜多"的原子级掺杂策略，或将成为破解贵金属催化剂成本困局的关键钥匙。