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Ru基催化劑具有良好的析氫活性，有望在堿性析氫反應(yīng)中替代Pt，而不同Ru物種在水解離路徑和反應(yīng)原理上的深刻來源和內(nèi)在因素仍不明確。

基于此，四川大學(xué)趙長(zhǎng)生教授，程沖研究員，李爽研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了Ru基催化劑在堿性介質(zhì)中水解離路徑的根本原因在于其在復(fù)雜配位環(huán)境中的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)。

理論計(jì)算表明在Ru納米團(tuán)簇和單原子位點(diǎn)邊界處離域-局域共存的調(diào)制電子結(jié)構(gòu)對(duì)水解離路徑有很大的影響，推動(dòng)H₂O*的遷移和結(jié)合方向，從而增強(qiáng)了解離動(dòng)力學(xué)。

作者構(gòu)建了三個(gè)具有代表性的Ru催化位點(diǎn)，分別是同時(shí)具有納米團(tuán)簇和單原子的復(fù)雜Ru位點(diǎn)（Ru_n-Ru_s/NC）、Ru納米團(tuán)簇（Ru_n/NC）和Ru單原子（Ru_s/NC）。

計(jì)算結(jié)果表明，在Ru_n-Ru_s/NC上存在三種不同電子態(tài)的Ru原子，即電子充足的Ru_a（0 |e|）、輕微電子損失的Ru_b（0.2|e|）和嚴(yán)重電子損失的Ru_c（0.9 |e|）。

分波態(tài)密度（PDOS）圖表明，Ru納米團(tuán)簇與Ru單原子的締合在其邊界產(chǎn)生了離域-局域共存的調(diào)制電子結(jié)構(gòu)。Ru_n-Ru_s/NC表面顯示出最強(qiáng)的總吸附能（site 2更易吸附OH*，site 4更易吸附H*），因此，在水解過程中，Ru納米團(tuán)簇和單原子位點(diǎn)之間可能存在協(xié)同效應(yīng)。

本文進(jìn)一步研究了不同Ru位點(diǎn)上H₂O解離的反應(yīng)路徑，與Ru_n/NC和Ru_s/NC相比，Ru_n-Ru_s/NC具有最低的反應(yīng)能壘，計(jì)算的吉布斯自由能也得出類似的結(jié)論。

提出一種可能的堿性HER路徑，包括三個(gè)步驟：(i) H₂O吸附在Ru_s位上；(ii) H₂O*從Ru_s位遷移到Ru_n和Ru_s之間的界面；(iii) Ru納米團(tuán)簇和單原子的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)了HO-H鍵的快速斷裂。Ru_n-Ru_s/NC調(diào)節(jié)了H₂O的吸附能，結(jié)合了Ru納米團(tuán)簇和單原子對(duì)OH*和H*物種的不同偏好，從而實(shí)現(xiàn)了H₂O的有效解離。

Electronic Structure-Dependent Water-Dissociation Pathways of Ruthenium-Based Catalysts in Alkaline H₂-Evolution.?Small,?2023, DOI: 10.1002/smll.202206949.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206949.

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