本篇论文《Ruthenium Clusters Decorated on Lattice Expanded Hematite Fe2O3 for Efficient Electrocatalytic Alkaline Water Splitting》由Ma Haibin、Yang Yongqiang、Yu Xiaohua、Zhao Yang、Ma Jiwei 和 Cheng Hongfei 等人合作完成。该研究于2024年11月14日发表于《Chemical Science》期刊，并且其研究成果对电催化水分解反应中氢气的生产提供了重要的理论和实验支持，尤其是针对碱性介质中的氢气演化反应（HER）和氧气演化反应（OER）的催化剂设计。
电催化水分解是一种通过电化学反应生成氢气和氧气的技术，这对于可持续能源的开发具有重要意义。水分解过程中，氢气的演化反应（HER）和氧气的演化反应（OER）是两个关键步骤，而催化剂的性能直接影响到电解水的效率。过渡金属氧化物作为一种常见的催化剂，在水分解中展现出较好的催化能力，尤其是在OER方面，但它们通常面临低电子导电性和过渡中间体的吸附强度不理想等问题。因此，提高催化剂的性能，尤其是改善其电子导电性和优化中间体的吸附强度，是当前电催化研究的关键挑战。
本研究的目标是通过合理设计一种新型催化剂，即在锂离子插层的赤铁矿Fe2O3上修饰铑金属簇（Ru clusters），以增强催化剂在碱性水分解中的电催化性能，尤其是在HER和OER方面。
本研究首先通过一种新的电化学方法合成了锂离子插层的赤铁矿Fe2O3（Fe2O3-Li），并通过湿浸渍法将铑簇（Ru clusters）负载到Fe2O3-Li的表面，制备出了Fe2O3-Li修饰铑簇的双功能电催化剂（Ru/Fe2O3-Li）。该催化剂随后被应用于氢气演化反应和氧气演化反应的电催化测试。以下是该研究的详细实验步骤：
Fe2O3-Li的合成： Fe2O3作为工作电极（WE），在7.5mm LiOH水溶液中进行电化学插层。插层过程通过在恒定电流密度（−1.0 mA cm−2）下施加负电位进行，时间为5分钟。此步骤使得Li+离子通过库仑力迁移至Fe2O3晶格中，导致FeO6单元格轻微膨胀。
Ru簇的负载： 为了改善氢气的演化反应（HER）性能，研究者通过湿浸渍法将Ru簇负载到Fe2O3-Li上。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）分析，Ru簇均匀分散在Fe2O3-Li的（110）面上。
电催化性能测试： 在1.0 M KOH电解液中，采用线性扫描伏安法（LSV）测试HER和OER的电催化活性。对于HER，Ru/Fe2O3-Li催化剂展示了显著低的过电位，仅为21 mV，且其Tafel斜率为39.8 mV dec−1，远低于Fe2O3和Fe2O3-Li。对于OER，Ru/Fe2O3-Li催化剂的过电位为328 mV，显示出良好的催化性能。
催化剂的稳定性测试： 在电催化器中组装传统的两电极系统，测试系统在长时间高电流密度下的稳定性。结果表明，Ru/Fe2O3-Li在250 mA cm−2电流密度下能够稳定运行165小时，几乎没有性能衰退，显示了其优异的稳定性。
电催化HER和OER性能： 通过一系列的实验测试，研究表明，Ru/Fe2O3-Li催化剂在HER和OER反应中均表现出了显著的催化活性。特别是在HER中，Ru/Fe2O3-Li催化剂的过电位仅为21 mV，且Tafel斜率为39.8 mV dec−1，这表明其在电催化氢气演化反应中具有较低的能量消耗和较快的反应动力学。相比之下，Fe2O3和Fe2O3-Li的过电位分别为273 mV和182 mV，显示出显著的催化性能提升。
稳定性测试： Ru/Fe2O3-Li在长时间的催化反应中表现出了优异的稳定性。在10 mA cm−2和250 mA cm−2的电流密度下，催化剂分别运行了700小时和165小时，且几乎没有出现性能衰退，表明其具有长期的使用寿命和稳定性。
电子结构分析： 通过XPS（X射线光电子能谱）和XAS（X射线吸收光谱）分析，研究揭示了Fe2O3-Li和Ru/Fe2O3-Li催化剂的电子结构变化。锂离子插层导致Fe2O3的带隙缩小，增强了其电子导电性。Ru簇的装饰则通过改变催化剂表面的电子结构，有效促进了氢气和氧气的演化反应。
DFT计算： 密度泛函理论（DFT）计算进一步解释了Li离子插层和Ru簇装饰对催化活性的影响。计算结果显示，Ru/Fe2O3-Li催化剂在氢气和氧气演化反应中的自由能变化比Fe2O3和Fe2O3-Li更有利，表明Li插层和Ru装饰能够显著降低反应的能量壁垒，促进水分解反应。
本研究通过引入锂离子插层和Ru簇修饰的策略，有效提升了Fe2O3催化剂在碱性介质中的电催化水分解性能。该研究不仅提出了一种新的催化剂设计方法，还揭示了Li离子插层和金属簇装饰对催化剂电子结构和催化性能的影响机制。通过对催化剂性能的系统评价，本研究为未来开发高效、稳定的电催化剂提供了理论依据和实验指导。具体来说，Li离子插层和Ru簇修饰能够有效改善催化剂的电子导电性，增强金属与金属氧化物支撑体之间的相互作用，并且有助于调节氢气和氧气中间体的吸附强度，从而促进水分解反应。
新颖的催化剂设计： 本研究提出了一种新型的催化剂设计策略，将锂离子插层与贵金属簇装饰相结合，这种策略有望应用于其他类型的电催化反应。
优异的催化性能： 相较于传统的Fe2O3催化剂，Ru/Fe2O3-Li表现出了极低的过电位和优异的长期稳定性，具有广泛的应用潜力。
理论与实验的结合： 研究通过实验与DFT计算相结合，深入探讨了Li离子插层和Ru簇装饰对催化性能的影响，揭示了电子结构调控的机制，为今后的催化剂设计提供了重要的理论依据。
本研究为碱性水电解反应中的电催化剂设计提供了一种新的思路，特别是在氢气演化反应中，具有重要的应用价值。随着可再生能源的快速发展，氢气作为清洁能源的应用前景广阔，因此，优化水电解反应的催化剂设计，不仅有助于提升氢气生产的效率，还有助于推动绿色能源的广泛应用。
总体而言，研究结果展示了通过界面工程和电子结构调控，利用锂离子插层和金属簇修饰相结合的方法，可以显著提高电催化水分解的性能，为未来催化剂的开发与应用奠定了基础。