Strengthened d-p orbital hybridization and hydrogen diffusion in a hollow N-doped porous carbon/Ru cluster catalyst system for hydrogen evolution reactions
RSC英國皇家化學會 2025年05月25日 12:05 中國香港
以下文章來源于RSC Chemical Sciences，作者木士春教授團隊
研究背景
化石燃料能源的大量消耗導致能源和環境危機日益惡化。氫氣 (H?) 作為一種二次能源因其綠色、可再生和高熱值的特性受到全世界的關注。然而，析氫反應 (HER) 在堿性介質中的電解水動力學緩慢，需要使用貴金屬催化劑才能獲得較高的催化性能。研究表明，合理的載體設計是實現低劑量貴金屬高催化活性的關鍵。然而，如何精確合成納米反應器，以及如何調節金屬與載體之間的相互作用以優化 HER 性能仍然是一項挑戰。
研究內容
近日，武漢理工大學木士春教授帶領研究團隊，通過對空心金屬有機框架進行直接碳化和隨后的 HF 刻蝕制備了 N 摻雜的中空多孔碳，并將超細的 Ru 團簇限域其中。具體而言，作者們通過直接碳化空心金屬有機框架 (H-MOFs)、HF 蝕刻和錨定釕 (Ru) 團簇，構建了一種氮 (N) 摻雜的中空碳 (H-NPC) 負載 Ru 團簇 (c-Ru@H-NPC) 催化劑。
研究發現，空心結構并不會改變 Ru 的配位數，但會使 Ru 出現更多的電子傳遞，增強了 d-p 軌道雜化效應。增強的 Ru-C 間 d-p 雜化效應和中空 N 摻雜多孔碳結構在大幅提高堿性 HER 性能方面發揮了關鍵作用。
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實驗表征和有限元法模擬結果表明，空心結構使催化劑具有較大的表面積，暴露出更多的活性位點，從而有效地幫助增強氫氣擴散。
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DFT 計算結果進一步表明在 d-p 雜化效應的調節下，Ru 團簇將更多電子轉移到 N 摻雜的碳載體上，從而優化了 Ru 簇的電子結構，改善了 H* 的吸附能。
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此外，進一步的原位 Raman 光譜研究表明，雜化效應還增強了水在 Ru 上的吸附能，從而加速了 Volmer 反應，提高了 HER 活性。
c-Ru@H-NPC 在堿性和堿性海水介質中分別僅需 10 和 12mV 即可驅動 10 mA cm?2 的電流密度，表現出極高的析氫反應 (HER) 催化活性。
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圖 2 有限元模擬、密度泛函理論計算與原位拉曼光譜
這項研究為設計高性能催化劑提供了新的思路。該成果以“Strengthened d-p orbital hybridization and hydrogen diffusion in hollow N-doped porous carbon and Ru cluster catalyst system for hydrogen evolution reactions” (《具有增強的 d-p 軌道雜化效應和氫擴散作用的空心 N 摻雜多孔碳/Ru 團簇析氫反應催化劑》) 為題，發表在英國皇家化學會期刊 Chemical Science #ChemSci 上。
論文信息
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Strengthened d-p orbital hybridization and hydrogen diffusion in hollow N-doped porous carbon and Ru cluster catalyst system for hydrogen evolution reactionsRuidong Li, Hongyu Zhao, Lin Wang, Qingqu Zhou, Xiong Yang, Linbo Jiang, Xu Luo, Jun Yu,*, Jingwen Wei, Shichun Mu*（木士春，武漢理工大學）Chem. Sci., 2025, 16, 4383-4391
https://doi.org/10.1039/D4SC08498E