與單一金屬或二元固溶體合金相比，貴金屬基金屬間化合物(IMCs)的晶相可根據(jù)相圖調(diào)整化學成份和反應(yīng)溫度來調(diào)控。與固溶體合金相比，原子排列有序的IMC具有更高的負生成焓和更強的異原子鍵合強度，具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，為進一步優(yōu)化貴金屬基IMC的電子結(jié)構(gòu)和電荷輸運性質(zhì)，構(gòu)建雜相是一個很有前途的策略。
隨著雜相的形成，由于不同組分之間強烈的相互作用產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可以優(yōu)化材料的物理化學性能，促進關(guān)鍵中間體的吸附和解吸。然而，由于不同晶相之間存在著較大的晶格錯配，以及缺乏通過精確控制相變來構(gòu)建雜相的策略，雜相貴金屬基IMC的制備面臨著巨大的挑戰(zhàn)。基于此，北京科技大學魯啟鵬、尹海清、山東大學王安良和中國科學院理化技術(shù)研究所夏靜等在還原氧化石墨烯(rGO)上，通過載體錨定熱退火策略制備了正交Ru2Ge3、立方RuGe和異相正交/立方Ru2Ge3/RuGe，并將它們用作電解水制氫的電催化劑。具體而言，根據(jù)Ru-Ge的相圖，通過調(diào)整配方和反應(yīng)溫度，可以合成兩個高純度的產(chǎn)物，即Ru2Ge3和RuGe；通過在相變溫度范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)溫度，合成了異相正交/立方Ru2Ge3/RuGe。實驗結(jié)果表明，Ru2Ge3/RuGe在析氫反應(yīng)(HER)方面表現(xiàn)出非凡的活性，它只需要135和281 mV的過電位就能分別達到1000和3000 mA cm-2的大電流密度，優(yōu)于大多數(shù)報道的貴金屬基電催化劑。同時，Ru2Ge3/RuGe在1000 mA cm-2電流密度下連續(xù)運行800小時而沒有發(fā)生明顯的活性衰減，且反應(yīng)后材料的形貌和結(jié)構(gòu)仍保持良好。理論計算表明，在異相邊界周圍發(fā)生明顯的電荷變化，電子從Ru2Ge3轉(zhuǎn)移到RuGe；其次，與Ru2Ge3和RuGe相比，Ru2Ge3/RuGe的d帶中心上移，可以優(yōu)化催化劑與被吸附物種之間的吸附強度；最后，Ru2Ge3/RuGe表現(xiàn)出顯著降低的水分解能壘以及更接近零的ΔG*H，從而改善了材料的性能。此外，基于Ru2Ge3/RuGe的膜電極組件(AEM)僅需1.73 V的電池電壓就能產(chǎn)生1000 mA cm-2的大電流密度，并能夠在該電流密度下連續(xù)穩(wěn)定運行500小時，顯示出Ru2Ge3/RuGe在未來工業(yè)規(guī)模的制氫應(yīng)用中的巨大潛力?？偟膩碚f，該項工作突出了IMC催化劑中雜相結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)勢，為合理設(shè)計先進的電催化劑提供了思路。Heterophase intermetallic compounds for electrocatalytic hydrogen production at industrial-scale current densities. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01985
