近日，伟德国际1946官网電催化與清潔能源團隊彭生傑教授Nature Communications期刊發表了一篇題為“Constructing regulable supports via non-stoichiometric engineering to stabilize ruthenium nanoparticles for enhanced pH-universal water splitting”的研究論文，論文第一作者為伟德国际1946官网博士生趙晟，彭生傑教授為通訊作者。
該論文系統地研究了通過簡單的非化學計量工程設計的Ru納米顆粒與一系列钛氧化物（包括TiO、Ti4O7和TiO2）之間的相互作用機制。Ti4O7具有獨特的能帶結構、高電導率和化學穩定性，通過界面Ti–O–Ru單元賦予适宜的金屬-載體相互作用，在析氧反應（OER）過程中穩定Ru物種并引發氫溢出以加速析氫反應（HER）動力學。受益于優異的雙功能性能，Ru/Ti4O7組裝的質子交換膜和陰離子交換膜電解槽實現了優越的性能和穩健的運行。這項工作為高效能量轉換裝置鋪平了道路。
水分解作為獲得綠色氫氣最有希望的途徑而受到廣泛關注。陰離子交換膜（AEM）和 質子交換膜 (PEM)電解槽是具有前途的水電解裝置。然而，電解槽的長久運行需要高效催化劑依靠實現。理想的電催化劑載體需要保持穩定性和高導電性，以最大限度地減少操作電壓下的過度能耗和催化劑溶解。非化學計量的钛氧化物(TinO2n–1)兼具的導電性與穩定性，可作為良好的活性催化載體。
圖 1 材料合成和結構表征
研究團隊通過濕化學方法将Ru納米顆粒（NP）沉積在具有不同化學計量比（TiO、Ti4O7和TiO2）的氧化钛載體上，Ti4O7可以與Ru NPs實現合适的界面晶格接觸，這為自适應金屬-載體相互作用和快速界面電子遷移提供了可能性。
圖 2 電子和配位結構表征
Ru/TiO2、Ru/Ti4O7和Ru/ TiO中的氧空位濃度呈現增加趨勢。周期性排列的氧空位不僅提高了載體的電導率，而且提供了在Ti4O7和Ru之間形成橋接界面的可能性。Ru作為電子受體與氧化钛載體形成肖特基接觸，并且Ti4O7具有與Ru納米粒子的電子結構的最佳适應性，以減少界面肖特基勢壘。
圖 3 電催化活性評價
Ru/Ti4O7表現出最低的OER過電勢（10 mA cm-2下為150 mV）。對于HER，Ru/Ti4O7在酸性環境中在10 mA cm-2下也表現出8 mV的超低過電勢。更重要的是，在酸性環境中，Ru/Ti4O7在可維持OER與HER的500小時良好穩定性，并伴随着可忽略不計的活性衰減與輕微的結構破壞。
圖 4 原位表征和反應機理
研究團隊通過一系列原位測試揭示了Ru/Ti4O7的OER過程的結構演變與反應機理。即使在OER的高電勢下，Ru納米顆粒在表面形成非晶氧化物層，但内部仍然可維持金屬結構。Ru/Ti4O7傾向于通過吸附演化機制驅動OER，與具有潛在催化劑溶解作用的LOM相比，可以實現更穩定的OER。
圖 5 理論計算和構效關系分析
研究團隊通過理論計算進一步驗證了Ru/Ti4O7的OER與HER反應機理，其結果表明适宜的金屬-載體相互作用可以促進Ru位點對OER和HER的本征活性提升。
圖 6 電解水器件性能
憑借Ru/Ti4O7優異的雙功能活性，研究團隊将其組裝成為質子交換膜（PEM）電解槽。Ru/Ti4O7 ‖ Ru/Ti4O7的電池電壓明顯低于RuO2 ‖ Pt/C，并且在80 ℃下可保持200小時的長期運行，顯示出良好的工業化應用前景。
總之，研究團隊通過合理的非化學計量工程設計的钛氧化物被用來穩定金屬Ru，以實現高活性和穩定的雙功能水分解。Ti4O7的非化學計量設計有利于實現與Ru适當的金屬-載體相互作用以實現高效并穩定的雙功能電解水，體現出了廣泛的工業适用前景。
這項工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和江蘇省高等學校重點學科建設項目的支持。
期刊介紹：Nature Communications是Nature子刊之一，是一本緻力于發表高質量、創新性自然科學研究的多學科開放性期刊。該期刊涉及生物、健康、物理、化學、地球、社會、數學、應用和工程科學各個領域。該雜志發表的論文對每個領域的專家都具有重要的意義。該期刊最新影響因子為16.6，中科院分區為一區。
課題組簡介：近年來，伟德国际1946官网電催化與清潔能源團隊一直從事微納米結構及新型功能材料的設計、合成及其電化學儲能與催化研究，取得了一系列創新性科研成果。其中在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等發表SCI論文150餘篇，申請中國發明/授權專利30項，研究成果受到國際國内同行的廣泛關注。
