电催化分解水制氢对全球能源转型和实现碳中和具有关键意义。目前商用铂基催化剂虽性能优异，但其稀缺性和高成本阻碍了其应用。钌（Ru）基催化剂低成本和适宜的金属-氢结合强度等特点，成为铂基催化剂的理想替代者。然而，在工业级电流密度（>500 mA cm-2）下的长期运行过程中，高度分散的Ru单原子和纳米团簇在电催化析氢反应中容易发生团聚，限制了析氢催化效率和稳定性。因此，如何同时实现Ru单原子/纳米团簇位点在催化剂上的高密度分散以及工业级电流密度下的高结构稳定性，一直是领域内面临的关键科学问题。

近期，青岛大学赵海光教授和王晓涵副教授报道了一种基于碳点诱导合成策略，将Ru单原子/纳米团簇活性位点锚定到多孔碳纳米纤维上[Ru(Zn)/C-CNFs]。碳点在合成过程中具有双重功能：（i）通过空间位阻效应在热解过程中诱导生成Ru纳米团簇(<1.5 nm)；（ii）通过强Ru–O配位键锚定Ru单原子。优化后的Ru(Zn)/C-CNFs在10 mA cm-2的电流密度下，在1 M KOH和0.5 M H2SO4电解液中的过电位分别为23 mV和58 mV，优于商业Pt/C催化剂和几乎所有已报道的Ru基电催化剂。

此外，该电催化剂在酸性和碱性电解液中，甚至碱性海水中，在500 mA cm-2的高电流密度下运行100 h后的活性没有明显衰减。实验分析和理论计算进一步表明，Ru单原子和纳米团簇间的强电子耦合效应，在调控水解离的动力学过程的同时，还有效调控了金属位点的H*吸附能。作为概念验证，还采用RuO2阳极与Ru(Zn)/C-CNFs阴极构建了太阳能聚光器-光伏驱动的电解水系统，实现了0.28 %的太阳能-氢能转换（STH）效率。该研究以“Carbon-dots-enabled Ru single atoms and nanoclusters electrocatalyst for highly durable and pH-universal industrial-level hydrogen evolution”为题，发表在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，第一作者为硕士研究生侯尚尚。

图1：Ru(Zn)/C-CNFs的制备过程和微观结构表征。

通过静电纺丝技术结合热处理制备了Ru(Zn)/C-CNFs电催化剂。碳纳米纤维内部有序的多孔结构在暴露更多活性位点的同时，可为水和氢气的传质以及电子传输提供了通道。此外，超小Ru纳米团簇（<1.5 nm）和Ru单原子均匀地锚定在多孔碳纳米纤维上。

图2：Ru(Zn)/C-CNFs的结构表征。

多级孔结构的Ru(Zn)/C-CNFs展现出较大的比表面积（563.7 m2 g-1），为修饰Ru单原子/纳米团簇提供了充足的锚定位点。进一步通过XPS以及XAS证实了Ru(Zn)/C-CNFs催化剂中Ru以金属态（Ru0）的团簇和Ru-O4结构（Run+）的单原子形式存在。

图3：Ru(Zn)/C-CNFs的碱性析氢性能。

图4：Ru(Zn)/C-CNFs的酸性析氢性能。

得益于碳纳米纤维的多级孔结构和Ru单原子/纳米团簇间的强电子耦合效应，Ru(Zn)/C-CNFs电催化剂在碱性和酸性环境中均展现出优异的析氢活性，并可在大电流密度（500 mA cm-2）下高效稳定运行。在碱性和酸性电解液中，Ru(Zn)/C-CNFs分别仅需要23和58 mV的过电位就能达到10 mA cm-2的电流密度，且具有较高的质量活性和转换频率，优于商业Pt/C催化剂以及大多数已报道的Ru基析氢电催化剂。

图5：Ru(Zn)/C-CNFs的碱性海水析氢性能和太阳能聚光器-光伏驱动的电解水应用。

进一步评估了Ru(Zn)/C-CNFs在碱性（模拟）海水中的析氢性能。在电流密度为10和100 mA cm-2时展现出52和185 mV的较低析氢过电位，并可在大电流密度（500 mA cm-2）下高效稳定运行100 h，优于商业Pt/C催化剂以及大多数报道的Ru基电催化剂。此外，分别以Ru(Zn)/C-CNFs和工业RuO2为阴极和阳极，组装了两电极结构的电解水装置。RuO2‖Ru(Zn)/C-CNFs也表现出优异的电解水制氢活性(1.57 V@10 mA cm-2)，优于RuO2‖20 wt% Pt/C(1.72V@10 mA cm-2)。在碱性电解液中，RuO2‖Ru(Zn)/C-CNFs在10 mA cm-2下连续运行100 h后仍保持98.7%的初始电流密度。作为概念验证，构建了太阳能聚光器-光伏驱动的RuO2‖Ru(Zn)/C-CNFs电解水系统，并实现了0.28%的STH效率。

图6：Ru(Zn)/C-CNFs的HER机理分析。

理论计算结果表明，Ru单原子/纳米团簇间具有强电子耦合效应。在优化后的结构模型中，Ru纳米团簇耦合单原子RuO4位点体系具有最小的|ΔGH*|（0.28 eV）和最低的分解水能垒（0.8 eV），使Ru(Zn)/C-CNFs在分解水动力学中具有低能量势垒及适宜的金属-H*键合强度，从而实现优异的电催化析氢活性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.126309

人物简介：

侯尚尚，青岛大学材料科学与工程学院2023级硕士研究生，研究方向为碳点基多元杂化碳纳米纤维的制备及其在电催化领域的应用

王晓涵，青岛大学副教授。入选山东省青年科技人才托举工程，山东省高等学校“青创团队计划”团队带头人。主要从事生物基杂化纤维功能材料与器件相关研究工作，包括生物基量子材料与杂化纤维功能材料的宏量制备、生物基量子点光电化学器件的构筑、生物基荧光纺织品的构建和应用等。以第一作者或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ. Energy、Nano Energy等期刊发表论文10余篇，授权国家发明专利3项。主持国家自然科学青年基金和山东省自然科学青年基金项目各1项。以第二完成人获得2023年青岛市自然科学一等奖1项。博士学位论文获得山东省优秀博士学位论文。

赵海光，青岛大学教授，博士生导师，全球青年院会士、山东省杰出青年基金获得者。主要从事量子材料宏量构建及其在能源、智能可穿戴和医用传感器等领域的应用。先后主持国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金面上项目、山东省重大科技创新工程等项目10余项。获青岛市自然科学一等奖等科研奖励。在Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B Environ. Energy、Chem，Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文160余篇。多次在国际学术大会作学术邀请报告。