1月15日，天津大学尹燕，张俊锋与中石化（北京）化工研究院有限公司冯英杰合作在面向工业级阴离子交换膜电解水（AEMWE）析氢催化剂的研究上取得最新研究成果，发表在国际著名学术期刊Angew《德国应用化学》上。论文题目为“Ni掺杂调控Ru/RuO2界面的内建电场强度提高安培级电流氢转换性能”(Modulating Built-In Electric Field Strength in Ru/RuO2 Interfaces through Ni Doping to Enhance Hydrogen Conversion at Ampere-level Current)。该论文通讯作者是尹燕，张俊锋，冯英杰教授，第一作者是刘韬和王连芹。

电解水制氢被认为是解决当前环境和能源危机、实现可持续发展的重要途径。在各种电解水制氢技术中，阴离子交换膜电解水（AEMWE）由于其工作环境温和、低成本和动态响应速度快的特点，适应可再生能源的间歇性和波动性，是最具潜力的可再生能源制氢技术。然而，在碱性环境中，商用Pt/C催化剂析氢反应（HER）效率低，成本高，限制其大规模应用。因此，设计和构建低成本的阴极催化剂，对提高AEMWE制氢效率至关重要。尹燕，张俊锋团队和冯英杰研究员共同开发了低成本的非Pt催化剂，实现了大电流密度下稳定制氢，并系统研究了内在的强化机制，研究成果在《德国应用化学》上发表。

氧空位形成能（OVF）可以评估结构中形成氧空位的难易度，而M-RuO2（M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn）和Ru的功函数（ΔΦ）与形成异质结构的BIEF强度密切相关，因此研究团队首先采用DFT计算，通过这两个参数（OVF和ΔΦ）来筛选高性能催化剂。由于Ni-RuO2与Ru的功函数（ΔΦ）相差较大，并且掺杂Ni能有效降低RuO2的OVF值，研究者通过水热-煅烧法合成了Ni掺杂的RuO2（Ni-RuO2）催化剂。得益于Ni-RuO2/Ru异质结界面的强BIEF效应，Ni-RuO2在1 A cm-2的电流密度下过电位仅为134 mV。基于Ni-RuO2催化剂组装的AEMWE在60°C下以1 A cm-2的电流密度稳定运行超过1000小时。DFT计算进一步表明，Ni-RuO2/Ru界面的BIEF诱导了界面电子重新分布，优化了H吸附吉布斯自由能，从而提高了HER性能。该研究通过杂原子掺杂精确构建和调节界面BIEF，为设计高效的安培级电流密度碱性HER电催化剂提供了一种有效的策略。

图1.Ni-RuO2的电解槽性能和催化机理图

论文信息：

Modulating Built-In Electric Field Strength in Ru/RuO2 Interfaces through Ni Doping to Enhance Hydrogen Conversion at Ampere-level Current，Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421869.

课题组介绍：

氢电转换能源材料研究室依托于天津大学先进内燃动力全国重点实验室和天津大学-国家储能技术产教融合创新平台，以新型、清洁和高效的新能源转化技术为主攻方向，主要开展聚合物电解质燃料电池和电解水技术的研究，涉及聚合物电解质膜的合成、电化学催化剂的制备、膜和催化剂材料研究、膜电极技术以及燃料电池的水热管理模拟等，是一个化学、化工、材料和机械等多学科交叉的科研平台。

中石化（北京）化工研究院有限公司紧密围绕中国石化业务，在乙烯技术、催化科学与工程、合成树脂、合成橡胶、合成纤维、有机与精细化工、化工环保、医卫材料、高分子资源化利用等领域具有扎实的学科基础，并在氢能、太阳能、工程塑料、光电材料、智能材料等新能源新材料基础前瞻新领域方面开展战略布局并取得重要突破。在绿氢制备技术方面，重点围绕阴离子膜AEM电解水技术关键核心材料与装备开展技术攻关与应用开发。

课题组欢迎对燃料电池、电解水的关键材料（膜、催化剂）、膜电极感兴趣的研究生、博士后加入，专业面向材料、化学、电化学、工程热物理等方向，有意者请联系：geosign@tju.edu.cn（张老师）。