摘要：氢能作为一种清洁能源，对实现碳中和、促进低碳转型具有重要意义。电催化水分解被认为是最具发展前景的低碳环保制氢技术。该技术依靠电能驱动阴极发生析氢反应（HER）和阳极发生析氧反应（OER）。HER效率的高低直接影响整个水电解槽的能量转换效率。因此，合理设计具有优
新疆大学许贯诚教授&张丽教授：静电纺丝制备Ru掺杂Ni纳米颗粒嵌入的碳纳米纤维催化剂，实现高效析氢反应
氢能作为一种清洁能源，对实现碳中和、促进低碳转型具有重要意义。电催化水分解被认为是最具发展前景的低碳环保制氢技术。该技术依靠电能驱动阴极发生析氢反应（HER）和阳极发生析氧反应（OER）。HER效率的高低直接影响整个水电解槽的能量转换效率。因此，合理设计具有优异催化活性和稳定性的碱性HER电催化剂，对于提高整体水分解效率至关重要，有助于实现大规模绿色制氢的工业化应用。
近日，新疆大学许贯诚教授和张丽教授团队通过静电纺丝结合后续热处理，成功制备出Ru掺杂Ni纳米颗粒嵌入的碳纳米纤维催化剂（Ru1Ni6/CNF）。钌掺杂镍纳米颗粒与石墨碳壳之间形成的强金属-载体相互作用（SMSI）不仅可以保护催化剂免受热团聚造成的比表面积损失，还可以促进电荷转移。石墨碳壳有效地保护了催化剂，减缓了其表面的（电）化学腐蚀。得到的Ru1Ni6/CNF催化剂，表现出很好的碱性HER活性和稳定性。结果表明，相关研究内容以“Engineering Ru and Ni sites relay catalysis and strong metal-support interaction for synergetic enhanced electrocatalytic hydrogen evolution performance”为题目发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。
图1：Ru1Ni6/CNF催化剂的制备过程及微观结构表征。
图2：Ru1Ni6/CNF催化剂的的键价和配位结构。
Ru掺杂Ni纳米颗粒嵌入的碳纳米纤维（Ru1Ni6/CNF）是通过静电纺丝结合后续热处理制备的。扫描电镜图显示，热解后的Ru1Ni6/CNF很好地保持了前驱体一维纳米纤维的结构，直径约为300 nm，Ru1Ni6/CNF材料的表面呈现出粗糙和多孔结构，暴露了更多的活性位点，有利于电解质的渗透。XPS表明石墨碳层和Ru掺杂Ni纳米颗粒之间存在电子相互作用，同步辐射进一步揭示了Ni–Ni和Ni–Ru键的存在。
图3：Ru1Ni6/CNF催化剂的碱性析氢性能。
图4：Ru1Ni6/CNF催化剂的酸性析氢性能及RuCo/CNF，RuFe/CNF和RuCu/CNF的碱性析氢性能。
图5：Ru1Ni6/CNF催化剂的HER机理分析。
在碱性溶液中，Ru1Ni6/CNF在10 mA cm-2的电流密度下具有14 mV的低过电位，在400 h内具有良好的稳定性。在酸性溶液中，该催化剂也表现出优异的HER活性，Ru1Ni6/CNF在10 mA cm-2的电流密度下过电位仅需54 mV。另外，在碱性电解液中，RuCo/CNF、RuFe/CNF和RuCu/CNF的性能均优于Co/CNF、Fe/CNF和Cu/CNF，表明Ru的引入对于提高电催化析氢性能的普遍性。DFT计算表明，Ru位点促进了水的吸附和解离。Ru掺杂削弱了H*在Ni位点上的吸附，从而有利于H*在Ni位点上的脱附。Ru位点和Ni位点的协同作用进一步提高了反应动力学。双活性位点催化剂打破了单活性位点催化剂仅在HER单步骤中表现出高催化活性的限制，实现了HER整体步骤催化活性的提高。这项工作呈现了多位点、多功能组分协同反应催化剂的设计策略，为合理设计和开发环境友好的高效HER催化剂提供了思路。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161348
人物简介：
许贯诚，新疆大学化学学院教授，博士生导师。新疆维吾尔自治区杰出青年，主要从事纳米电催化剂、碳材料、锌空气电池方面的研究。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Chem. Eng. J., ACS Sustain. Chem. Eng., Inorg. Chem.等发表SCI收录学术论文100余篇，主持国家级和省部级科研项目12项。作为主要参与人获2015年新疆维吾尔自治区科学技术进步一等奖，2023年国家级教学成果奖二等奖。
张丽，新疆大学化工学院教授、博士生导师，任党委副书记、纪委书记。2010年于北京大学化学与分子工程学院获得理学博士学位。长期从事能源催化材料设计和反应机理研究。近年来，主持国家自然科学基金、自治区科技创新领军人才后备人选天山雪松项目、自治区重点实验室开放课题等；在化学类重要学术刊物（Adv. Funct. Mater., Chin. J. Catal., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, Nano Res., J. Colloid Interf. Sci., Inorg. Chem.等）发表一系列学术论文，获得多项授权专利。
来源：科学老丁
