【摘 要】
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为了建立崭新的氢能体系,逐步取代传统的化石能源,电解水析氢被认为是最具有前景,环保和高效的产氢方式。其中,析氢（HER）催化剂作为最重要的一部分,其高额的成本阻碍了电解水析氢的大规模工业应用,因此研究高效、耐用、经济的析氢催化剂是未来氢能社会的前提。与常用的铂（Pt）基催化剂相比,钌（Ru）具有与Pt相似的氢键能、低的水分解能垒和较低的价格,展示出替代Pt基催化剂的巨大潜力。然而现阶段Ru基催化剂
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为了建立崭新的氢能体系,逐步取代传统的化石能源,电解水析氢被认为是最具有前景,环保和高效的产氢方式。其中,析氢（HER）催化剂作为最重要的一部分,其高额的成本阻碍了电解水析氢的大规模工业应用,因此研究高效、耐用、经济的析氢催化剂是未来氢能社会的前提。与常用的铂（Pt）基催化剂相比,钌（Ru）具有与Pt相似的氢键能、低的水分解能垒和较低的价格,展示出替代Pt基催化剂的巨大潜力。然而现阶段Ru基催化剂的活性与稳定性仍然达不到商业应用的要求,为此理解并解释Ru基催化剂的HER活性增强机制,合理的设计Ru基催化剂来增强HER活性与稳定性仍然具有挑战性。本文通过构建强化学键合与金属-载体强相互作用的策略,优化Ru基催化剂在HER中反应中间物种吸附能力的同时增强了催化剂体系的稳定性,极大提升了其HER性能。具体工作如下:（1）利用氧化石墨烯（GO）的富氧官能团吸附Ru物种,在700℃下退火原位生成还原氧化石墨烯（r GO）负载的Ru纳米颗粒（≈2 nm）催化剂（Ru/r GO-700）。Ru/r GO-700达到10 m A cm-2的电流密度仅需要26 m V的过电位(η10),同时,由载体和锚定的Ru纳米颗粒之间的Ru-O键引起的强相互作用使催化剂具有理想的稳定性,因此在50000圈耐久性测试后,Ru/r GO-700的活性衰退可忽略不计。密度泛函理论（DFT）计算表明,阴离子氧的引入导致了Ru纳米颗粒的缺电子特性,从而削弱了Ru-H的键能,加速水解并优化了氢的解吸。此外,积分晶体轨道哈密顿布居（ICOHP）证实,电子空穴的引入削弱了Ru原子之间的反键相互作用,因此催化剂的稳定性得到了极大的改善。（2）利用强金属-载体相互作用（SMSI）将Ru纳米棒（Ru NRs）负载在多孔氮化钛（Ti N）纳米片组装的空心管上（Ru NRs/Ti N）。Ru NRs/Ti N在1M KOH下展示出优异的活性(η10=25 m V),并且展示出优于商业Pt/C催化剂20倍的超高质量活性和优于目前大多数钌基催化剂的氢转换频率（TOF）。由于Ru NRs和Ti N载体之间的强金属-载体相互作用,催化剂在工作50小时后,活性衰减远低于商业Pt/C催化剂。
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