钌因其优异的水解动力学特性，在理论上被视为碱性析氢反应（HER）的潜在高效电催化剂。然而，其表面过强的OH^⁻吸附倾向易导致活性位点堵塞，从而在实际HER应用中通常表现出欠佳的性能。此外，电催化反应主要发生于催化剂表面活性位点。在传统固体催化剂中，由于传质限制，芯层部分的活性材料难以充分利用，显著降低了活性位点的整体利用率。为应对上述挑战，本研究提出了一种竞争吸附策略并结合中空结构设计，成功构筑了Ru-Sn/SnO₂负载的中空碳纳米纤维电催化剂（Ru-Sn/SnO₂-HCNFs）。

近日，长春理工大学董相廷教授、殷端端副教授和东北师范大学薄祥洁副教授在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Employing Competitive Adsorption and Hollow Nanofiber Strategies toward High-Efficiency Hydrogen Evolution with Ru–Sn/SnO₂ Heterojunction Catalysts”。研究者通过同轴静电纺丝技术结合后续的碳化过程工艺，制备出Ru–Sn/SnO₂ 嵌入的空心碳纳米纤维。与Ru和Sn/SnO₂嵌入的空心碳纳米纤维相比，所得的Ru-Sn/SnO₂-HCNFs催化剂表现出更好的析氢性能。

图1：Ru-Sn/SnO2-HCNFs的合成示意图

图2：Ru-Sn/SnO2-HCNFs的形貌分析

在碳化过程中，壳中的PAN形成了稳定的碳骨架，而芯中的PMMA完全分解，释放出气体，最终制备了Ru和Sn/SnO₂嵌入的中空碳纳米纤维。Ru-Sn/SnO₂-HCNFs空心纤维的比表面积（606.9 m²g^-1）高于Ru-Sn/SnO₂-CNFs实心纤维的比表面积（27.2 m²g^-1），增加了对活性位点暴露的可能性。

图3：Ru-Sn/SnO₂-HCNFs的XPS分析

通过对Ru-Sn/SnO₂ HCNFs及对比样品的XPS分析，证实其表面存在Ru、Sn、C、N和O元素。Ru-Sn/SnO₂HCNFs催化剂Ru 3p谱中金属Ru0的特征峰相较于Ru-HCNF发生负移，同时Sn 3d谱峰发生正移，有力证实了电子通过异质结界面由Sn/SnO₂向Ru的有效转移，优化了表面电子结构，进而提高HER性能。

图4：Ru-Sn/SnO₂ HCNFs在碱性条件下的HER性能

由于Sn/SnO₂的引入调节了Ru和OH-之间的强相互作用，OH-在SnO₂上的吸附比Ru更有利，有效减轻了Ru位点的中毒，促进了OH-的转移和Ru活性位点的再生。因此，Ru-Sn/SnO₂-HCNF在碱性和酸性电解质中都表现出优异的HER催化活性。当电流密度为10 mA cm^-2时，分别仅需6.8 mV（碱性）和23.3 mV（酸性）的极低过电位。这项工作为高效HER电催化剂的合理设计提供了一种新方法。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c18381

人物简介：

通讯作者：董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。获享受国务院政府特殊津贴专家、吉林省第一层次拔尖创新人才、吉林省高级专家和吉林省B类人才等荣誉称号。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项和吉林省自然科学学术成果奖一等奖2项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇，D指数44 (Research. Com)；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。

殷端端：长春理工大学化学与环境工程学院副教授，博士，硕士生导师。主要从事电催化剂的制备及性能研究。近年来，主持吉林省科技厅青年成长科技计划项目、吉林省教育厅科学技术研究项目等多个项目。以第一作者或通讯作者在 Renew. Sust. Energ. Rev.,Chem. Eng. J., ACS AMI等国际重要期刊发表论文20余篇，获授权国家发明专利3件。

薄祥洁：东北师范大学化学学院副教授，主要从事石墨烯基柔性可穿戴传感器的制备与应用，探索可穿戴体液传感器在非侵入健康检测及疾病诊断中的应用。近五年在国内外学术刊物上发表学术论文30余篇，相关文章发表在Small、Analytical Chemistry等期刊。