氢气制储研究组eScience：NiCo合金上构建亲氧Ru位点调控界面水网络高效AEMWE

研究背景

阴极析氢反应（HER）在碱性介质中的动力学深受水分子活化与解离（Volmer步）的限制。传统电极表面的界面水网络过于有序，阻碍了其结构重组，从而增加了反应能垒。如何调控电极-电解质界面水结构、打破刚性的氢键网络并释放“自由水”（Free-H₂O），是提高工业大电流密度下阴极析氢效率的关键。

研究内容

• 磁控溅射法：在泡沫镍（NF）衬底上精密沉积成分和厚度可调的 NiCo 合金薄膜，确保优异的机械附着力和结构均匀性。

• 原位液相还原法：将 NiCo 衬底浸入 RuCl₃ 溶液中，在合金表面原位还原并高度分散超小的亲氧性钌（Ru）纳米颗粒（Ru 负载量仅为 2.35 wt%），最终制得 Ru/NiCo 催化剂。

AIMD模拟显示，相比于纯 NiCo 表面，Ru/NiCo 表面水分子的取向发生改变，表面的氢键数量显著减少。同时，水分子中氧原子距离催化剂表面的 z 轴统计距离变短，表明水分子的吸附被增强。XAS分析显示，Ru/NiCo 中 Ni 和 Co 的结合能与吸收边发生了正移，表明电子从 Ni/Co 向电负性更强的 Ru 位点转移，Ru 处于低氧化态（+0.65）。

        原位电化学阻抗和原位拉曼光谱证明 Ru/NiCo 加快了水吸附并增强了对 OH* 中间体的吸附。原位红外光谱（ATR-SEIRAS）显示 O-H 伸缩振动发生红移，表明 O-H 键被拉长削弱。通过对原位拉曼界面水信号的解 deconvolute 拟合，发现随着阴极电位增加，强氢键结合的四配位水（4-HB-H₂O）比例从 46.41% 急剧下降至 29.55%，而高活性的自由水（Free-H₂O）比例从 8.61% 增加到 25.53%。

        在 70 °C 的 1 M KOH 装置中，NiFeOₓ||Ru/NiCo 电解槽仅需 1.84 V 的低池电压即可产生 1 A cm⁻² 的工业级级高电流密度（远低于 Pt/C 槽的 2.44 V）。这使其制氢电耗低至 4.44 kWh Nm⁻³ H₂，折合每公斤氢气电费成本仅约 $0.99。在 1 A cm⁻² 的苛刻条件下连续运行 1000 小时，其电压降解率极低（仅 9.96 μV h⁻¹）。

研究结论

        Ru/NiCo 催化剂在碱性条件下表现出极其优异的 HER 活性和稳定性。在实际的阴离子交换膜电解水（AEMWE）装置中，以 NiFeOₓ 为阳极、Ru/NiCo 为阴极的工业级电解槽在大电流下展现出极高的能效和上千小时的超长寿命，具备巨大的工业应用前景。

        该论文发表在国产期刊eScience（2026年影响银子52.9），https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141726000789?via%3Dihub=。论文第一作者2023级博士生范淑慧，通讯作者李晋平教授和刘光教授。