南京工业大学戴志晖/刘苏莉&清华大学王定胜最新Sci. Adv.:Ru–O–Mo(Mn) 界面高效促进甲醇氧化-制氢

文章于2026年6月24日发表在Sci. Adv.，戴志晖&刘苏莉&王定胜为通讯作者。

Asymmetric Ru─O sites in self-activated catalysts for efficient electrochemical methanol oxidation and industrial-scale hydrogen generation

DOI：10.1126/sciadv.aeb1299

摘要

本研究创新性开发原位生长的非对称Ru–O–Mo(Mn)界面催化剂（RuOₓ@Mo(Mn)Oₓ），通过构建甲醇氧化反应（MOR）与析氢反应（HER）耦合体系，显著降低制氢能耗并同步实现高附加值甲酸盐生产。该催化剂在碱性甲醇电解液中展现出卓越双功能活性：阳极MOR在500 mA cm⁻²下仅需1.38 V低电位，阴极HER在相同电流密度下过电位为78 mV；组装的MOR-HER电解槽在500 mA cm⁻²工业级电流密度下实现1.50 V超低槽电压（较传统水电解降低0.46 V），甲酸盐法拉第效率>98%，能量消耗降至2.4 kWh Nm⁻³ H₂（传统水电解为4.3 kWh Nm⁻³ H₂）；DFT计算揭示非对称Ru–O–Mo(Mn)界面通过电子重构优化甲醇吸附能（−1.97 eV vs RuO₂的−1.72 eV），并将决速步能垒从1.57 eV（CHO*→HCOO*）降至0.45 eV，为高效节能制氢与有机分子电氧化耦合提供新思路。

研究内容

结论与意义

该工作突破传统水电解制氢高能耗的根本局限，首创"有机小分子氧化-制氢耦合"新策略，从根本上解决析氧反应（OER）动力学迟缓导致的能量效率瓶颈：通过溶剂热法在泡沫镍上原位构筑RuOₓ纳米团簇锚定于Mo/Mn复合氧化物基底的异质结构，HAADF-STEM与几何相位分析（GPA）证实界面处存在~20.6%压缩应变与显著晶格畸变，诱导电荷重分布形成非对称Ru–O–Mo(Mn)活性位点；XPS与差分电荷密度图共同揭示电子从Ru向Mo(Mn)氧化物转移，优化表面电子构型以增强甲醇吸附选择性（ΔG_ads = −1.97 eV）并削弱水吸附（−1.72 eV），原位ATR-FTIR在1.48 V下直接观测到CH₃OH*→CH₃O*→CH₂O*→CHO*→HCOO的五步连续脱氢路径；尤为关键的是，该非对称界面将传统RuO₂中CHO→HCOO转化的决速步能垒从1.57 eV大幅降低至0.45 eV，同时初始CH₃OH→CH₃O*脱氢能垒仅0.74 eV，实现全反应路径能垒均低于1.0 eV；在实际电解应用中，该体系在200 mA cm⁻²下稳定运行100小时无衰减，甲酸盐产率高达98.5%，经济性分析显示其制氢成本较传统水电解降低42%；该"界面电子工程-反应路径调控"双轨协同机制不仅为节能制氢提供即用型解决方案。

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