通过气溶胶辅助化学气相沉积法对RuNi合金薄膜进行协同优化，以实现酸性介质中高效氢气释放

《Materials Today Sustainability》：Synergistic optimization of RuNi alloy thin films via aerosol-assisted chemical vapor deposition for efficient hydrogen evolution in acidic media

氢进化反应（HER）催化剂研究：RuNi合金薄膜通过气相辅助化学气相沉积（AACVD）制备，在酸性介质中展现1000 mA/cm2高活性，过电位152 mV，稳定性达45小时，电子结构优化及协同效应起主要作用。

　　在当前全球能源转型和碳中和目标的推动下，氢能源作为一种清洁、可持续的能源载体，正受到越来越多的关注。氢气在燃烧后仅产生水，因此被认为是实现零碳排放的重要途径之一。然而，氢气的制备过程中，特别是水电解反应中的氢析出反应（HER），面临着催化剂成本高、效率低等关键挑战。传统的铂（Pt）基催化剂虽然具有优异的HER性能，但其稀缺性和高昂价格严重限制了其在大规模应用中的可行性。因此，开发性能优异、成本低廉且稳定的替代催化剂成为研究的重点。

在众多替代材料中，钌（Ru）因其与铂相近的氢吸附性能和相对较低的成本，被视为一种极具潜力的HER催化剂。近年来，Ru与其他过渡金属如镍（Ni）的合金化策略逐渐成为研究热点。RuNi合金不仅能够通过协同效应提升催化活性，还能有效降低Ru的使用量，从而在保持高效催化性能的同时，提高经济性和可持续性。此外，RuNi合金在酸性环境下的表现尤为突出，这使其成为水裂解技术中极具前景的材料之一。

为了进一步优化RuNi合金的性能，研究者们采用了一种名为气溶胶辅助化学气相沉积（AACVD）的合成方法。这种方法的优势在于能够直接在导电基底上生长出均匀且高度附着的薄膜催化剂，避免了传统粉末合成过程中可能存在的涂层脱落、活性位点被遮蔽等问题。同时，AACVD技术还能够通过调控前驱体溶液和沉积参数，实现对催化剂组成和形貌的精确控制，为性能优化提供了更大的自由度。

本研究中，RuNi合金薄膜是在石墨片（GS）基底上通过AACVD工艺合成的。实验结果显示，该合金薄膜具有约1:1的Ru和Ni原子比，并表现出优异的催化性能。在0.5 M硫酸（H?SO?）电解液中，RuNi合金能够在较低的过电位（152 mV）下实现高达1000 mA cm?2的电流密度，其塔菲尔斜率仅为38 mV dec?1，远低于纯Ru和Ni金属的相应值。这表明RuNi合金在促进氢气析出反应过程中，具有更优的反应动力学和更低的能垒。同时，RuNi合金薄膜在连续电解过程中表现出良好的稳定性，能够在25 mA cm?2和50 mA cm?2的电流密度下持续工作45小时，未发生明显的组成或形貌变化，进一步验证了其在实际应用中的可靠性。

为了深入理解RuNi合金的催化机制，研究团队结合实验分析和理论计算进行了系统研究。实验结果表明，RuNi合金具有较大的电化学活性表面积（ECSA），这与其表面的粗糙结构和颗粒分布密切相关。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析，研究人员确认了Ru和Ni在合金中的均匀分布，并观察到其具有与纯金属不同的微观结构特征。此外，透射电子显微镜（TEM）和高分辨TEM（HRTEM）分析揭示了RuNi合金的纳米级结构和晶格特征，进一步支持了其作为高效HER催化剂的潜力。

在理论层面，密度泛函理论（DFT）计算表明，Ru和Ni之间的电子协同作用显著提升了氢吸附和脱附的效率。Ru的氢结合能较高，而Ni则通过削弱Ru表面的氢吸附能力，促进了氢的快速脱附。这种协同效应不仅优化了氢的吸附-脱附平衡，还改善了电荷转移过程，从而显著提高了HER的反应速率。此外，DFT计算还揭示了RuNi合金中电荷的重新分布情况，这种分布增强了Ru与Ni之间的相互作用，使得RuNi合金在电催化性能上优于纯金属体系。

在实际应用中，RuNi合金薄膜的优异性能得益于其独特的结构和合成方法。相比传统的粉末催化剂，RuNi薄膜具有更均匀的结构和更高的附着力，这使得其在高电流密度和高浓度电解液环境下能够保持稳定的催化活性。此外，薄膜的直接生长方式避免了对额外粘合剂的依赖，这不仅降低了成本，还减少了活性位点被遮蔽的可能性，从而提升了整体的催化效率。

通过电化学测试，研究团队进一步验证了RuNi合金在HER中的卓越表现。线性扫描伏安法（LSV）曲线显示，RuNi合金在较低过电位下即可达到高电流密度，且其塔菲尔斜率和电荷转移电阻（Rct）均优于其他金属催化剂。此外，电化学阻抗谱（EIS）分析表明，RuNi合金具有更小的半圆弧，意味着其具有更低的电荷转移阻力，这为快速的电荷传输提供了良好的通道。这些结果充分证明了RuNi合金在HER中的高效性。

为了评估催化剂的长期稳定性，研究团队还进行了恒电流测试（chronopotentiometry）。测试结果表明，RuNi合金在长时间运行下仍能保持稳定的电位输出，这表明其具有优异的机械稳定性和化学稳定性。与纯Ru和Ni相比，RuNi合金在相同的电流密度下表现出更小的电位波动，进一步印证了其在实际应用中的可靠性。

此外，研究团队还对RuNi合金的电化学活性表面积（ECSA）进行了系统分析。通过循环伏安法（CV）测试，研究人员测量了双层电容（Cdl）并计算了ECSA。结果显示，RuNi合金的ECSA显著高于纯Ru和Ni，这表明其具有更多的活性位点可供氢吸附和脱附。同时，RuNi合金的高ECSA值也与其较大的双层电容有关，进一步支持了其优异的催化性能。

综上所述，本研究通过AACVD技术成功制备了具有优异HER性能的RuNi合金薄膜，并结合实验和理论分析揭示了其性能提升的机制。RuNi合金在酸性条件下表现出卓越的催化活性和稳定性，这使其成为未来水电解制氢技术中极具前景的催化剂。此外，其低成本和高效率的特性，也为实现可持续的氢能源生产提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索RuNi合金在不同电解液和温度条件下的性能表现，以及其在实际水电解装置中的应用潜力。