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李劍鋒/董金超/林秀梅Nature子刊：揭示界面水和Ru表面關(guān)鍵中間體在堿性HER中的作用

釕（Ru）表現(xiàn)出與鉑（Pt）相當(dāng)甚至更好的堿性析氫反應(yīng)（HER）活性，但其機(jī)理尚未確定?；诖耍?strong>廈門大學(xué)李劍鋒教授，董金超教授和閩南師范大學(xué)林秀梅副教授等人報(bào)道了通過原位拉曼光譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)算相結(jié)合來闡明。作者同時(shí)捕獲Ru表面、界面水、*H和*OH中間體的動(dòng)態(tài)光譜證據(jù)，其中Ru表面在反應(yīng)電位范圍內(nèi)以不同的價(jià)態(tài)存在，離解界面水的方式不同，生成兩種不同的*H，導(dǎo)致活性不同。

通過DFT計(jì)算，作者研究了Pt表面和近表面的化學(xué)環(huán)境，揭示了堿金屬陽離子（AM⁺）在Pt表面化學(xué)和堿性HER中的作用。

綜合研究表明，陽離子并不直接附著在Pt表面或OH_ad上，而是在陽離子的第一水合層被水分子分離，OH_ad反過來作為電子有利的質(zhì)子受體或幾何上有利的質(zhì)子供體，共同促進(jìn)Pt表面在堿性介質(zhì)中的水解解離和Volmer步驟動(dòng)力學(xué)。在所有的模型表面中，表明質(zhì)子從液態(tài)水轉(zhuǎn)移到表面*OH在能量上是有利的，表明這一步不是限速的。對于水解離步驟，不利于在RuO₂(110)上發(fā)生。

此外，作者計(jì)算得到*H在Ru表面2+、2+ ~ 4+和4+價(jià)態(tài)的無吸附能分別為0.08、0.22和0.39 eV。在HER生成H₂的最后一步，所有的RuO_x表面都是放熱的。因此，*H優(yōu)先從Ru表面的高價(jià)位解吸，而該步驟在Ru(0001)表面受阻，通常被稱為Ru上HER的限速步驟之一。不同的是，還原的RuO₂(110)和RuO(100)表現(xiàn)出優(yōu)于金屬Ru的HER活性。

Revealing the role of interfacial water and key intermediates at ruthenium surfaces in the alkaline hydrogen evolution reaction. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-41030-1.

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