近日，材料科学与技术学院电催化与清洁能源团队彭生杰教授Nature Communications期刊发表了一篇题为“Constructing regulable supports via non-stoichiometric engineering to stabilize ruthenium nanoparticles for enhanced pH-universal water splitting”的研究论文，论文第一作者为材料科学与技术学院博士生赵晟，彭生杰教授为通讯作者。
该论文系统地研究了通过简单的非化学计量工程设计的Ru纳米颗粒与一系列钛氧化物（包括TiO、Ti4O7和TiO2）之间的相互作用机制。Ti4O7具有独特的能带结构、高电导率和化学稳定性，通过界面Ti–O–Ru单元赋予适宜的金属-载体相互作用，在析氧反应（OER）过程中稳定Ru物种并引发氢溢出以加速析氢反应（HER）动力学。受益于优异的双功能性能，Ru/Ti4O7组装的质子交换膜和阴离子交换膜电解槽实现了优越的性能和稳健的运行。这项工作为高效能量转换装置铺平了道路。
水分解作为获得绿色氢气最有希望的途径而受到广泛关注。阴离子交换膜（AEM）和 质子交换膜 (PEM)电解槽是具有前途的水电解装置。然而，电解槽的长久运行需要高效催化剂依靠实现。理想的电催化剂载体需要保持稳定性和高导电性，以最大限度地减少操作电压下的过度能耗和催化剂溶解。非化学计量的钛氧化物(TinO2n–1)兼具的导电性与稳定性，可作为良好的活性催化载体。
图 1 材料合成和结构表征
研究团队通过湿化学方法将Ru纳米颗粒（NP）沉积在具有不同化学计量比（TiO、Ti4O7和TiO2）的氧化钛载体上，Ti4O7可以与Ru NPs实现合适的界面晶格接触，这为自适应金属-载体相互作用和快速界面电子迁移提供了可能性。
图 2 电子和配位结构表征
Ru/TiO2、Ru/Ti4O7和Ru/ TiO中的氧空位浓度呈现增加趋势。周期性排列的氧空位不仅提高了载体的电导率，而且提供了在Ti4O7和Ru之间形成桥接界面的可能性。Ru作为电子受体与氧化钛载体形成肖特基接触，并且Ti4O7具有与Ru纳米粒子的电子结构的最佳适应性，以减少界面肖特基势垒。
图 3 电催化活性评价
Ru/Ti4O7表现出最低的OER过电势（10 mA cm-2下为150 mV）。对于HER，Ru/Ti4O7在酸性环境中在10 mA cm-2下也表现出8 mV的超低过电势。更重要的是，在酸性环境中，Ru/Ti4O7在可维持OER与HER的500小时良好稳定性，并伴随着可忽略不计的活性衰减与轻微的结构破坏。
图 4 原位表征和反应机理
研究团队通过一系列原位测试揭示了Ru/Ti4O7的OER过程的结构演变与反应机理。即使在OER的高电势下，Ru纳米颗粒在表面形成非晶氧化物层，但内部仍然可维持金属结构。Ru/Ti4O7倾向于通过吸附演化机制驱动OER，与具有潜在催化剂溶解作用的LOM相比，可以实现更稳定的OER。
图 5 理论计算和构效关系分析
研究团队通过理论计算进一步验证了Ru/Ti4O7的OER与HER反应机理，其结果表明适宜的金属-载体相互作用可以促进Ru位点对OER和HER的本征活性提升。
图 6 电解水器件性能
凭借Ru/Ti4O7优异的双功能活性，研究团队将其组装成为质子交换膜（PEM）电解槽。Ru/Ti4O7 ‖ Ru/Ti4O7的电池电压明显低于RuO2 ‖ Pt/C，并且在80 ℃下可保持200小时的长期运行，显示出良好的工业化应用前景。
总之，研究团队通过合理的非化学计量工程设计的钛氧化物被用来稳定金属Ru，以实现高活性和稳定的双功能水分解。Ti4O7的非化学计量设计有利于实现与Ru适当的金属-载体相互作用以实现高效并稳定的双功能电解水，体现出了广泛的工业适用前景。
这项工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省高等学校重点学科建设项目的支持。
期刊介绍：Nature Communications是Nature子刊之一，是一本致力于发表高质量、创新性自然科学研究的多学科开放性期刊。该期刊涉及生物、健康、物理、化学、地球、社会、数学、应用和工程科学各个领域。该杂志发表的论文对每个领域的专家都具有重要的意义。该期刊最新影响因子为16.6，中科院分区为一区。
课题组简介：近年来，材料科学与技术学院电催化与清洁能源团队一直从事微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学储能与催化研究，取得了一系列创新性科研成果。其中在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等发表SCI论文150余篇，申请中国发明/授权专利30项，研究成果受到国际国内同行的广泛关注。
