碳点驱动钌/石墨烯空间与电子调控实现pH普适性高效析氢反应催化剂

本研究针对高效pH普适性析氢反应(HER)电催化剂开发的重大挑战，通过碳点(CD)驱动策略调控钌(Ru)物种在石墨烯上的空间分布与电子结构，成功构建了具有平面Ru&CDs排列的Ru-6CDs/G催化剂。该催化剂在酸性(77 mV)、碱性(58 mV)和中性(39 mV)条件下均表现出卓越的HER活性，质量活性最高达商业Pt/C的129倍。理论计算揭示Ru-CD界面电荷重分布优化了d带中心位置，强化H*中间体稳定化并加速Volmer-Heyrovsky路径，为先进电催化剂设计提供了重要理论依据和实践方案。

　　

在可再生能源技术领域，开发适用于全pH范围的高效析氢反应(HER)电催化剂仍是重大挑战。虽然铂(Pt)基催化剂在酸性介质中表现出优异活性，但其在碱性和中性条件下因水分解动力学迟滞而导致性能显著下降。本研究创新性地采用碳点(carbon dot, CD)驱动策略，精准调控钌(ruthenium, Ru)物种在石墨烯上的空间分布和电子结构，成功实现了跨越全pH范围的高效HER催化。通过将Ru-CD界面构型从CDs@Ru包覆型调整为Ru&CD分散型和Ru@CD封装型，发现具有平面Ru&CDs排列的Ru-6CDs/G表现最为卓越——该催化剂在10 mA cm^?2电流密度下呈现超低过电位：0.5 M H₂SO₄中77 mV，1.0 M KOH中58 mV，0.5 M PBS中39 mV，其质量活性最高达到商业Pt/C的129倍。结合实验与理论分析表明，具有最佳分散度和最小尺寸(～1.14 nm)的Ru纳米粒子诱导产生适中的d带中心位置，完美平衡氢吸附/脱附能垒，并加速Volmer-Heyrovsky反应路径。密度泛函理论(DFT)计算进一步揭示Ru-CD界面处的电荷重分布增强了H*中间体稳定化作用，晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析则证实了Ru-H键强度的优化调控。该工作不仅确立了金属-CD杂化催化剂的通用设计原则，更为先进电催化领域中活性位点的电子与空间调控机制提供了深刻见解。