由可再生电力驱动的质子交换膜水电解(PEMWE)由于具有绿色可持续的特点，有望实现大规模制氢。其中，析氢反应(HER)是阴极电催化反应的重要组成部分，对提高PEMWE器件的性能具有重要作用。Pt是公认的最先进的电催化剂，但其高成本直接限制了PEMWE的大规模应用。Ru作为最廉价的Pt族元素，其理论H吸附能与Pt相近，但是其效能还低于与Pt催化剂。考虑到Ru基催化剂内在的高ΔGH*，如何调节Ru的电子结构并获得最佳ΔGH*对于提高HER性能至关重要。
近日，中国科学院上海高等研究院杨辉和程庆庆等通过调整Mo源比例，精确合成了纯β-Mo2C和α-MoC载体，并研究了两种MoxC晶相对Ru-MoxC/C催化剂的电子结构和对HER电催化活性的不同调制作用。光谱表征和理论计算表明，不同的MoxC晶相引起了不同程度的MoxC载体和Ru的电子转移，β-Mo2C上的Ru表现出比α-MoC上的Ru更低的价态，从而提供了独特的HER性能。同时，当Ru与MoxC耦合时，两种MoxC相的功函数(WF)的差异造成了对Ru的不同调制效应，并且在界面处建立了内置电场(BEF)，驱动电子从低功函数流向高功函数，直到系统达到平衡。此外，与Ru-MoC/C相比，Ru-Mo2C/C具有理想的ΔGH*，进一步揭示了Ru-Mo2C/C对HER的内在增强机制。性能测试结果显示，在酸性条件下，Ru-Mo2C/C催化剂在10 mA cm−2电流密度下的HER过电位仅为18 mV，低于相同条件下的Ru-MoC/C催化剂(46 mV)；同时，Ru-Mo2C/C在100 mA cm−2电流密度下连续运行100小时而没有发生明显的活性衰减，且反应后材料的形貌和结构仍保持良好。此外，由Ru-Mo2C/C制备的MEA仅需1.58和1.68 V的低电压就能产生1和2 A cm-2的电流密度，并能够在1.60 V下连续稳定运行500小时以上，显示出在PEMWE器件中的巨大应用潜力。综上，该项研究揭示了金属-载体界面的电子调制对提高HER活性的重要作用，并为不同晶相催化剂的合理设计提供了指导。Crystalline phase engineering to modulate the interfacial interaction of the ruthenium/molybdenum carbide for acidic hydrogen evolution. Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00495
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