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

本研究针对碱性析氢反应（HER）中水分解动力学缓慢的问题，设计了一种有序的Ru-W₂C Janus肖特基结催化剂。

通过“梯度双限域热解”策略构建了具有紧密界面的Janus结构，实现了肖特基结的充分活化。实验与理论计算表明，该结两侧能同时解离水，形成向界面中心供给H的“双通道”机制，且界面活性位可抵抗OH竞争吸附。该催化剂在碱性HER中表现出卓越活性（η₁₀₀=69.5 mV）与稳定性（>500 h），并在1 A cm⁻²下实现1.79 V的低电解电压。该工作揭示了“双通道供氢”机制，为设计高效多活性位催化剂提供了新思路。

要点1. 创新的“双通道氢供给”机制

作者突破了传统异质结“双位点”机制（一个位点解离水，另一个位点生成氢气）的限制，通过构建有序的Janus肖特基结，实现了结两侧的非界面区域同时解离水分子，如同“双通道”共同向界面活性位点供给H*。这一机制显著降低了水离解能垒，缩短了反应路径，是碱性HER动力学提升的核心突破。

要点2. 有序Janus肖特基结的精准构筑

作者开发了一种“渐进式双限域热解”策略，成功制备了具有清晰空间分隔与晶格匹配的Ru-W₂C Janus型有序异质结。这种精确的原子级结构控制，克服了传统异质结界面无序导致的活性位点利用不充分问题，为“双通道”机制的有效运行提供了关键的结构基础。

要点3. 界面与非界面区域的协同作用

该Janus肖特基结不仅优化了界面电荷重排，还调控了非界面区域的远程电荷分布，实现了界面位点、非界面Ru位点和非界面W位点三者的功能协同。具体表现为：非界面区域强吸附并解离H₂O/OH，而界面位点则专一性强吸附H并弱吸附*OH，从而高效抗中毒并促进H₂生成。

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。

通过一系列系统的实验表征与性能评估，所合成的有序Ru-W2C Janus肖特基结材料 (Ru-W2C@C)在碱性析氢反应及水电解应用中表现出全方位的性能提升。在催化活性方面，其在100 mA cm^-2电流密度下的过电位低至69.5 mV，塔菲尔斜率仅为29.83 mV dec^-1，动力学显著加速。在反应机理方面，其独特的“双通道H*供给”机制有效促进了水离解，降低了反应活化能。在实际应用方面，基于该材料的AEMWE能在1.79 V的低电压下实现1 A cm^-2的高电流密度，质量活性是商业Pt/C的19倍，并展现出超过400小时的卓越运行稳定性。这些性能的全面提升，归因于有序Janus结构所实现的充分激活的肖特基结、高效的界面与非界面协同，以及由此带来的优化反应路径。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.75365

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