Nano Res.[催化]│郑州大学李保军教授：Ru基电催化剂设计工程及在高效电催化水分解中的应用进展

目前，人类社会发展严重依赖化石能源，化石能源短期内不可再生，燃烧后会产生大量污染，尤其是二氧化碳的排放。为了应对化石能源的枯竭和二氧化碳的排放，寻找新的替代清洁能源是非常必要的。其中，氢能在新能源发展中具有许多明显的优势。氢的应用方向集中在交通运输、工业、储能、建筑等领域，主要面向合成氨、甲醇、石油炼制等传统行业，而氢燃料电池汽车、氢冶金、氢储能等新兴方向未来将获得巨大发展和广阔市场。最近，有许多制氢的方法，它们都有一定的优点和缺点。与其他原料相比，水分解制氢完全不引入碳元素，制备的氢纯度非常高，理论上可以循环利用，是一种清洁绿色的合成方法。然而，水分子是非常稳定的，水转化为氢需要来自外部输入的大量能量，比如普通的光、热和电。其中，电能清洁，相对稳定，易于控制，易于传输，与人类生活密切相关。电解水氢是目前最常见、最成熟、最有前途的水氢大规模生产方法之一。

电催化水分解是一种无碳和环境可持续的制氢途径。尽管贵金属作为电催化剂一直受到人们的青睐，但这些催化剂的设计和开发仍然是限制其实际应用的关键因素。虽然基于铂（Pt）的催化剂表现出优异的催化性能，但其高昂的成本导致人们越来越关注基于钌(Ru)的催化剂，它们具有类似的d带电子结构，但价格相对较低。然而，推进钌基电催化剂需要解决设计独特催化剂形态和优化钌位点电子结构的挑战。因此，从大量的研究文献中综合钌基催化剂的理论设计原则并建立构效关系模型势在必行。本文从电催化水分解在不同pH环境下的机理入手，系统分析和总结了近五年来贵金属电催化水分解催化剂的研究进展。进一步强调了钌基催化剂的研究进展和面临的主要挑战，以及相应的改进策略。此外，本文还阐述了钌基催化剂设计工程的独特优势，为优化结构-活性关系，开发具有更强电催化水分解性能的钌基催化剂提供了坚实的理论基础。

针对水电解过程中Ru活性位点的框架优化、结构不稳定性和电子结构调制等挑战，本文综述了一系列改进和优化策略，并与目前的研究进展进行了比较。本文为进一步开发和应用钌基催化剂提供了有价值的理论见解。

李保军，郑州大学化学学院（平原实验室、工业催化研究所）教授、高级工程师。课题组面向可持续能源获取及高效利用中关键制约性问题，以催化为导向，在原子-分子水平上精确调控凝聚态物质结构，监控和揭示纳米体系表面动态变化，结合实验观测和理论计算，理性设计具有特殊结构-性质-性能关系的材料和过程。近期，着重基于分子聚集、界面集团、表面等离激元、电子自旋调控的氢能和生物质转化的催化化学基础研究。在《美国化学会志》《德国应用化学》《先进科学》《先进材料》《先进能源材料》《先进功能材料》《应用催化B：环境与能源》《绿色化学》《中国催化学报》《能源化学杂志》《能源化学》《配位化学评论》《无机化学》《纳米研究》等国际权威杂志发表研究论文250余篇，综述论文20余篇，社论1篇，被引用13800余次，H-index=61。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目3项，企业合作开发项目6项，获授权中国发明专利26件，转让中国发明专利1项。2021年获河南省科学技术进步一等奖（第四完成人），2024年获河南省研究生高等教育教学成果特等奖（第五完成人）。作为客座主编为APL Materials编辑《Materials Challenges for Catalysis》专刊一期。欢迎化学、催化和物理学等相关专业背景博士生加盟课题组或申请博士后。请随时联系lbjfcl@zzu.edu.cn。