以綠色和可再生能源驅動的電解水制氫為緩解日益嚴重的能源危機、實現間歇性能源大規模儲存提供了一條有前景的途徑。開發高效、高活性、高穩定性的析氫催化劑是電解水制氫的關鍵。目前，鉑基電催化劑是析氫性能最為優異的催化劑，然而由于鉑基電催化劑價格極高，且元素含量較低，不利于大規模的商業應用。根據之前的研究，Ru基材料的析氫反應(HER)性能可能與Pt相當，并且Ru的價格僅為Pt的1/3。因此，進一步開發和調節Ru-H的結合能，提高Ru基催化劑的HER性能具有重要意義。

基于此，上海科技大學林柏霖等人通過簡單的微波合成方法制備了一系列具有多活性位點的NiRu雙金屬催化劑，并通過調控Ni/Ru的比例優化了催化劑的HER性能。

本文研究了Ni/Ru金屬比對多活性位點Ni_xRu_y/C催化劑電化學性能的影響。本文采用三電極體系，在飽和N₂的1 M KOH溶液中測試了制備的催化劑的電化學性能。測試結果表明，當Ni/Ru比為1:1時，HER的催化性能最佳，在電流密度為10 mA cm^-2時，Ni₁Ru₁/C的過電位僅為13 mV，與商業Pt/C(11 mV)接近，并且同時小于Ni₂Ru₁/C(16 mV)和Ni₁Ru₂/C(15 mV)。

令人驚訝的是，在大電流密度(大于500 mA cm^-2)下，Ni₁Ru₁/C甚至比Pt/C表現出更好的HER活性。以上結果表明，引入Ni后，催化劑的HER性能得到了顯著的提高，說明Ni對提高HER的催化性能的重要性。

為了探究RuO₂/NiRu界面對催化劑性能的影響，本文基于密度泛函理論(DFT)計算了催化劑的氫吸附吉布斯自由能(△G_H*)，這是描述催化劑HER性能的重要參數。DFT計算結果表明，與NiO(1.047 eV)、RuO₂(-0.772 eV)和NiRu合金(-0.422 eV)相比，RuO₂/NiRu異質界面上的△G_H*(-0.240 eV)更接近于零，這表明RuO₂/NiRu異質界面的形成能夠調節氫吸附強度，從而改善Ni₁Ru₁/C的HER性能。

此外，PDOS分析表明，RuO₂/NiRu界面的d帶中心下移遠離費米能級，這與催化劑的H吸附能減弱相一致。此外，RuO₂可能發揮了增強^*OH吸附的重要作用，有利于促進Volmer步驟。結合減弱的^*H吸附和增強的^*OH吸附，可以得出一個合理的假設，NiRu和RuO₂之間的界面協同作用可能會促進HER活性。

總之，結合實驗和計算研究可以得知，更快的電子傳遞過程、更多的活性位點以及NiRu/RuO₂異質界面的存在共同促進了催化劑HER性能的提高。本文的研究結果為設計復合HER催化劑提供了一定的思路。

RuO₂/NiRu Heterojunction Optimizes d-band Center of Ni?Ru Catalyst for High-Performance Alkaline Hydrogen Evolution Reaction, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09660a.

https://doi.org/10.1039/D2TA09660A.