钌掺杂钴铁双金属磷化物纳米花：电子结构调控实现高效碱性析氢反应

　　针对碱性条件下析氢反应(HER)动力学缓慢的问题，研究人员通过电沉积法制备了具有三维纳米花结构的钌(Ru)掺杂钴铁双金属磷化物(Rux CoFeP/NF)催化剂。该材料通过Ru的电子调控作用优化水分子解离能垒和氢吸附自由能(ΔGH* )，在1 M KOH中仅需27 mV过电位即可达到10 mA cm?2 电流密度，Tafel斜率低至30.8 mV dec?1 ，为贵金属掺杂催化剂的设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型，通过电解水制备高纯度绿氢成为替代化石燃料的重要途径。然而碱性条件下析氢反应(HER)的缓慢动力学导致能耗过高，制约其大规模应用。虽然铂(Pt)基催化剂性能优异，但其高昂成本和碱性环境不稳定性促使研究者寻求替代方案。过渡金属磷化物(TMPs)因其可调电子结构和较高本征活性成为研究热点，但现有材料仍面临活性位点不足、水分子解离能垒高等瓶颈。哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过创新性设计钌(Ru)掺杂的钴铁双金属磷化物纳米花结构催化剂，实现了碱性HER性能的突破性提升。

研究采用电沉积技术构建三维纳米花结构，结合密度泛函理论(DFT)计算指导Ru掺杂量优化。通过调控Co²⁺
/Fe²⁺
比例和沉积参数，获得超薄纳米片组装的开放结构；利用X射线光电子能谱(XPS)和电子能量损失谱(EELS)表征电子结构变化；采用线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)评估催化性能。

材料与表征
通过控制电解液中金属盐比例，成功制备具有分级孔隙的Ru_0.2
CoFeP/NF。扫描电镜(SEM)显示其花瓣状纳米片厚度约15 nm，比表面积达218 m²
g^?1
。X射线衍射(XRD)证实Ru成功掺入CoFeP晶格，引起晶格收缩和电子重排。

电子结构调控机制
DFT计算揭示Ru的[Kr]5s¹
4d⁷
电子构型使其具有高密度空轨道，掺杂后引发电荷从Co/Fe向Ru转移：一方面降低水分子解离能垒至0.32 eV，加速Volmer步骤；另一方面优化活性位点氢吸附能(ΔG_H*
=-0.08 eV)，接近Pt的理想值(0 eV)。

催化性能突破
在1 M KOH中，最优样品Ru_0.2
CoFeP/NF的过电位较未掺杂材料降低53%，塔菲尔斜率从98 mV dec^?1
降至30.8 mV dec^?1
。稳定性测试显示其在100 mA cm^?2
下连续工作120小时仅衰减2.3%，优于多数报道的TMPs催化剂。

该研究通过精确调控Ru掺杂量实现了电子结构的"铂化"改造，三维纳米花结构同步解决传质与活性位点暴露难题。电沉积法的绿色低成本特性使其具备工业化应用潜力，为设计非贵金属基高效HER催化剂提供了电子结构-形貌协同优化的新范式。研究不仅深化了对碱性HER机理的认识，更为大规模绿氢制备提供了具有商业化前景的材料体系。