太原理工大学王美玲/吉林大学揣明艳,最新AFM!Ru-W₂C Janus肖特基结通过双通道氢供应以加速碱性析氢反应!苗玉敏一作

异质结构可通过典型的“双位点”机制加速碱性析氢反应（HER），其中一个位点负责水裂解，而另一个位点促进氢气生成。然而，由于传统异质结构中的界面无序性，这种双位点机制从未完全发挥界面功能，从而阻碍了本征催化活性的充分激活。

2026年04月11日，太原理工大学王美玲团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Ru-W2C Janus Schottky Junction Accelerating Alkaline Hydrogen Evolution via Dual-Channel Hydrogen Supply”的研究论文，团队成员苗玉敏为论文第一作者，王美玲、吉林大学揣明艳为论文共同通讯作者。

第一作者：苗玉敏

通讯作者：王美玲、揣明艳

通讯单位：太原理工大学、吉林大学

论文DOI：10.1002/adfm.75365

该研究通过构建有序Ru-W₂C Janus肖特基结，克服了典型双位点机制的限制，并促进了肖特基结的充分激活。实验与计算揭示了一种独特的反应路径，在该路径中，Janus Ru-W₂C肖特基结的两侧同时解离水，作为向界面活性位点供应H*的“双通道”。得益于“双通道氢供应”机制，HER以低能垒和短反应路径进行，使得相应的碱性阴离子交换膜水电解槽能够在1.79V电压和1.0A cm⁻²电流密度下稳定运行超过400小时。该研究表明，精确的Janus设计是实现碱性HER中“双通道H*供应”的有效策略，从而为氢相关反应中催化剂的设计提供了新视角。

可持续氢经济是解决全球能源和环境问题的一种有前景的方案。近期分析强调，阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）是一种零排放的高纯氢气生产路线。由于AEMWE中的阴极反应是碱性HER，所需的H*只能通过水解离（H₂O* + M→H* + OH）生成。该步骤的高能垒导致动力学缓慢，限制了整体效率。水解离理论指出，特定的亲氧位点对于容纳OH*是必不可少的，从而促进水解离并将H*释放到活性位点。这一概念推动了双位点催化剂的开发，这类催化剂分别吸附OH*和H*以促进O-H键断裂。然而，虽然双位点设计可以缓解H*与OH*之间的竞争吸附，但其有限的活性位点仍然会导致OH*中毒和H*覆盖率低等问题。因此，开发能够实现不同活性位点之间高效分工的多活性位点体系势在必行。

目前，常见的双位点催化剂包括合金、颗粒-单原子、双金属原子对以及异质结催化剂。其中，异质结催化剂因其能够优化界面处的电荷转移而展现出良好的潜力。然而，半导体组分的固有带隙限制了体相电子传输效率，从而限制了整体反应动力学。与半导体异质结不同，肖特基结是一种金属-半导体界面结构，能够实现更低能垒的电荷转移路径。这源于界面肖特基势垒和费米能级钉扎效应，两者共同促进表面反应的电子转移。大量关于肖特基结（Ru-Mo₂C、Ru-CoP）设计策略的研究已显示出通过促进电荷分离和调控反应中间体吸附能来提高催化效率的初步成功。与负载型Ru单原子催化剂类似，这些结通常使半导体侧作为水解离位点，金属侧作为析氢位点。肖特基结中界面无序性的影响高度依赖于其程度和空间分布。适度或良好控制的无序可以产生配位不饱和位点，从而增强催化活性。然而，过度或随机的无序可能导致局部化学异质性和未优化的电子结构，这严重限制了跨界面的电荷转移，并导致活性位点利用不足，从而损害催化效率。因此，设计高性能异质结催化剂的关键在于取得平衡—保留有益的无序性，同时最小化有害的异质性。与典型肖特基结相比，Janus肖特基结具有独特的不对称异质结构。它不仅促进界面电荷重排，还调控非界面区域的长程电荷分布，从而实现界面与非界面区域的协同作用。因此，精确控制界面和非界面区域电子态的空间分布仍然是一项关键挑战，因为异质结构形成的固有复杂性常常导致不可预测的电荷传输行为。因此，探索新颖的合成方法来精确构筑Janus肖特基结，并结合先进表征手段揭示其潜在的催化机制，对于突破电催化的边界具有重要意义。

在此，该研究通过“逐步双限域热解”策略设计了一种有序Ru-W₂C Janus肖特基结，实现了肖特基结的充分激活。实验和理论结果表明，水在结的两侧同时解离，作为向Janus界面供应H*的“双通道”。同时，Janus界面活性位点也能抵抗OH*的竞争吸附。“双通道氢供应”机制实现了低能垒，从而缩短了HER路径。因此，Ru-W₂C Janus肖特基结在100mA cm⁻²电流密度下表现出69.5mV的低过电位，碱性AEMWE在1.0A cm⁻²电流密度下达到1.79V电压，并具有超过400小时的稳定性。“双通道H*供应”路径为合理设计用于各种涉氢反应的异质结催化剂提供了宝贵见解。

图1 Ru-W₂C@C的合成路线与结构特征。(a) Ru-W₂C@C制备过程的示意图；(b) Ru-W₂C@C的HAADF-STEM图像；(c) Ru-W₂C@C的HAADF-STEM图像及对应的EDS元素分布图；(d) XRD图谱；(e) Ru K边傅里叶变换XAS谱图；(f) Ru-W₂C和RuC/W₂C的形成能。

图2 肖特基结的DFT辅助验证与表征。(a) 界面电荷密度差；(b) Ru-W₂C、W₂C和Ru的功函数；(c) Ru-W₂C的一维平面平均电荷密度差；(d) Ru-W₂C、W₂C和Ru的能带结构；(e) 通过KPFM测量得到的Ru-W₂C@C、W₂C@C和Ru/C的表面电势（CPD）图；(f) Ru-W₂C@C和W₂C@C的I-V曲线。

图3 在1M KOH中的电化学性能和AEMWE性能。(a) Ru-W₂C@C、W₂C@C、Ru/C和Pt/C的LSV曲线；(b) Tafel曲线图；(c) 比较综合HER指标的雷达图；(d) Ru-W₂C@C的耐久性；(e) 分别以NiFe LDH、Ru-W₂C@C和Pt/C催化剂作为阳极和阴极电极，在70°C下AEMWE的LSV曲线；(f) 60°C下AEMWE的稳定性测试。

图4 HER动力学改善的理论理解。(a) Ru-W₂C和Ru-W₂C的模型；(b) H₂O*在Ru-W₂C、Ru-W₂C、W₂C和Ru上的吸附能；(c) H₂O*、OH*和H*在Ru-W₂C界面和非界面（Ru和W位点）上的吸附能；(d) Ru-W₂C中Ru和W位点对H₂O*、OH*和H*的吸附能；(e) H₂O解离的动力学能垒。IS、TS和FS分别代表初态、过渡态和终态；(f) 相对于标准氢电极的HER吉布斯自由能图；(g) 氢溢流路径图；(h) Ru-W₂C、W₂C和Ru的态密度DOS；(i) 界面和非界面区域Ru和W的局域DOS；(j) Ru-W₂C在碱性介质中HER催化机制示意图。

图5 Janus肖特基结加速水解离的证据。(a) Ru-W₂C@C在1M KOH中不同电位下的原位拉曼光谱；(b) 不同电位下4HB-H₂O和自由H₂O的比例变化；(c) 在1M KOH和1M KOD中测得的HER动力学同位素效应值；(d) Ru-W₂C和W₂C的电子有效质量比较；(e) Ru-W₂C和W₂C的电子迁移率比较；(f) Ru-W₂C@C、W₂C@C和Ru/C在−0.1V（vs RHE）下的Nyquist图；(g) Ru-W₂C Janus肖特基结用于碱性HER的双通道H*供应机制示意图。

总之，该研究通过逐步双限域热解策略成功构建了Ru-W₂C Janus肖特基结。该催化剂在碱性HER中表现出优异的性能，具有69.5mV的低过电位（在100mA cm⁻²下）和29.83mV dec⁻¹的小Tafel斜率。此外，相应的AEMWE在1.79V的低电压下即可达到1.0A cm⁻²的工业电流密度，并表现出超过400小时的卓越稳定性。系统的实验和理论分析证实，Ru和W₂C之间的肖特基结促进了内置电场的形成，该电场驱动电子从W₂C转移到Ru。这种电子调控优化了反应中间体的吸附/脱附行为，并降低了水解离能垒。更关键的是，该研究发现Ru-W₂C Janus肖特基结的两侧都能有效解离水，高效地向Janus界面供应H*物种。这种独特的“双通道氢供应”机制不仅显著提高了水分解的整体效率，还大大缩短了H*的迁移路径。因此，该电解槽在1.0A cm⁻²的工业电流密度条件下实现了1.79V的极低电池电压，并在整个400小时连续测试中表现出卓越的运行稳定性。该研究揭示的“双通道氢供应”途径为合理设计用于各种涉氢反应的高性能催化剂提供了实用且可操作的指导。