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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中替代Pt，而不同Ru物種在水解離路徑和反應原理上的深刻來源和內在因素仍不明確。基于此，四川大學趙長生教授，程沖研究員，李爽研究員（共同通訊作者）等人報道了Ru基催化劑在堿性介質中水解離路徑的根本原因在于其在復雜配位環境中的獨特電子結構。理論計算表明在Ru納米團簇和單原子位點邊界處離域-局域共存的調制電子結構對水解離路徑有很大的影響，推動H₂O*的遷移和結合方向，從而增強了解離動力學。

作者構建了三個具有代表性的Ru催化位點，分別是同時具有納米團簇和單原子的復雜Ru位點（Ru_n-Ru_s/NC）、Ru納米團簇（Ru_n/NC）和Ru單原子（Ru_s/NC）。計算結果表明，在Ru_n-Ru_s/NC上存在三種不同電子態的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|）和嚴重電子損失的Ru_c（0.9 |e|）。

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

本文進一步研究了不同Ru位點上H₂O解離的反應路徑，與Ru_n/NC和Ru_s/NC相比，Ru_n-Ru_s/NC具有最低的反應能壘，計算的吉布斯自由能也得出類似的結論。提出一種可能的堿性HER路徑，包括三個步驟：(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納米團簇和單原子的協同效應促進了HO-H鍵的快速斷裂。Ru_n-Ru_s/NC調節了H₂O的吸附能，結合了Ru納米團簇和單原子對OH*和H*物種的不同偏好，從而實現了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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?川大Small：Ru基催化劑在堿性析氫中的電子結構依賴性水解離路徑

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