RuTe2 Heterophase Homojunction Induced Built-in Electric Field Drives Ultrafast Hydrogen Evolution Reaction Kinetics
在能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，氫能因其高能量密度與環(huán)境友好性，被視為未來(lái)能源體系的關(guān)鍵組成部分。電解水作為獲取綠氫的重要技術(shù)途徑，其核心在于高效的氫進(jìn)化反應(yīng)（HER）催化劑。當(dāng)前，鉑（Pt）基催化劑雖性能卓越，但高昂的成本與稀缺性嚴(yán)重制約了氫能源的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)低成本、高性能的非鉑催化劑成為科研領(lǐng)域的迫切任務(wù)。
在這一關(guān)鍵領(lǐng)域，武漢理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)取得了突破性進(jìn)展。他們創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種由正交晶系和立方晶系釕碲化合物（RuTe?）組成的異質(zhì)同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（記為m-RuTe?）。這一獨(dú)特設(shè)計(jì)利用兩相間的工作函數(shù)差異，成功誘導(dǎo)形成了內(nèi)建電場(chǎng)。該內(nèi)建電場(chǎng)不僅驅(qū)動(dòng)了電子轉(zhuǎn)移與電荷重新分布，更優(yōu)化了催化劑對(duì)活性中間體的吸附行為，從而顯著提升了HER催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，m-RuTe?在實(shí)現(xiàn)10 mA cm?2電流密度時(shí)，僅需35 mV的過(guò)電位，這一性能不僅超越了單相RuTe?（正交晶系RuTe?需62.3 mV，立方晶系RuTe?需164.3 mV），更在堿性條件下優(yōu)于商業(yè)鉑催化劑。
這種卓越的催化性能源于內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。DFT理論計(jì)算揭示，正交晶系與立方晶系RuTe?間顯著的工作函數(shù)差異，使得電子從正交晶系向立方晶系轉(zhuǎn)移，形成了有利于電荷平衡的電荷分布。這種電荷轉(zhuǎn)移與重新分布，使得m-RuTe?的d帶中心位置介于兩種單相RuTe?之間，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫吸附能力的優(yōu)化。與過(guò)強(qiáng)吸附的正交晶系和過(guò)弱吸附的立方晶系相比，m-RuTe?展現(xiàn)出了適中的氫吸附能力，極大降低了水解離的能壘，使氫吸附自由能（ΔGH*）更接近0 eV，為高效的HER催化反應(yīng)創(chuàng)造了理想條件。
除了突出的催化活性，m-RuTe?還展現(xiàn)出令人印象深刻的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，在經(jīng)過(guò)20小時(shí)的連續(xù)催化反應(yīng)后，m-RuTe?的電流密度保持率高達(dá)91%。即使在經(jīng)歷2000次加速穩(wěn)定性測(cè)試循環(huán)后，其過(guò)電位僅增加了2 mV，遠(yuǎn)低于單相RuTe?。這種穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)可歸因于異質(zhì)同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中Ru與Te之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，這種效應(yīng)有效抑制了Ru活性位點(diǎn)的溶解，確保了催化劑在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的結(jié)構(gòu)完整性。不僅如此，m-RuTe?在整體水分解反應(yīng)中同樣表現(xiàn)出色。在與商業(yè)RuO?組成的電解水系統(tǒng)中，m-RuTe?//RuO?組合在2.28 V的電壓下即可達(dá)到1000 mA cm?2的電流密度，優(yōu)于商業(yè)Pt/C//RuO?所需的2.36 V。并且在100小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試中，電流密度保持率達(dá)到了81%，接近100%的法拉第效率，顯示出接近理論最大值的卓越性能。
武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)RuTe?異質(zhì)同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，成功開(kāi)發(fā)出一種兼具高活性與高穩(wěn)定性的新型HER催化劑。這一成果不僅為非鉑催化劑的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了全新的思路，更為未來(lái)電解水制氫的大規(guī)模應(yīng)用鋪就了一條極具潛力的創(chuàng)新之路。可以預(yù)見(jiàn)，這種基于內(nèi)建電場(chǎng)調(diào)控的異質(zhì)同質(zhì)結(jié)策略，將在更廣泛的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域引發(fā)深入的探索與研究。