北科/山大/理化所JACS: 制备杂相金属间化合物，用于工业电流密度下电催化HER

与单一金属或二元固溶体合金相比，贵金属基金属间化合物(IMCs)的晶相可根据相图调整化学成份和反应温度来调控。与固溶体合金相比，原子排列有序的IMC具有更高的负生成焓和更强的异原子键合强度，具有优异的催化活性和稳定性，为进一步优化贵金属基IMC的电子结构和电荷输运性质，构建杂相是一个很有前途的策略。

随着杂相的形成，由于不同组分之间强烈的相互作用产生的协同效应，可以优化材料的物理化学性能，促进关键中间体的吸附和解吸。然而，由于不同晶相之间存在着较大的晶格错配，以及缺乏通过精确控制相变来构建杂相的策略，杂相贵金属基IMC的制备面临着巨大的挑战。

基于此，北京科技大学鲁启鹏、尹海清、山东大学王安良和中国科学院理化技术研究所夏静等在还原氧化石墨烯(rGO)上，通过载体锚定热退火策略制备了正交Ru₂Ge₃、立方RuGe和异相正交/立方Ru₂Ge₃/RuGe，并将它们用作电解水制氢的电催化剂。具体而言，根据Ru-Ge的相图，通过调整配方和反应温度，可以合成两个高纯度的产物，即Ru₂Ge₃和RuGe；通过在相变温度范围内精确调节温度，合成了异相正交/立方Ru₂Ge₃/RuGe。

实验结果表明，Ru₂Ge₃/RuGe在析氢反应(HER)方面表现出非凡的活性，它只需要135和281 mV的过电位就能分别达到1000和3000 mA cm^-2的大电流密度，优于大多数报道的贵金属基电催化剂。同时，Ru₂Ge₃/RuGe在1000 mA cm^-2电流密度下连续运行800小时而没有发生明显的活性衰减，且反应后材料的形貌和结构仍保持良好。

理论计算表明，在异相边界周围发生明显的电荷变化，电子从Ru₂Ge₃转移到RuGe；其次，与Ru₂Ge₃和RuGe相比，Ru₂Ge₃/RuGe的d带中心上移，可以优化催化剂与被吸附物种之间的吸附强度；最后，Ru₂Ge₃/RuGe表现出显著降低的水分解能垒以及更接近零的ΔG_*H，从而改善了材料的性能。

此外，基于Ru₂Ge₃/RuGe的膜电极组件(AEM)仅需1.73 V的电池电压就能产生1000 mA cm^-2的大电流密度，并能够在该电流密度下连续稳定运行500小时，显示出Ru₂Ge₃/RuGe在未来工业规模的制氢应用中的巨大潜力。总的来说，该项工作突出了IMC催化剂中杂相结构的显著优势，为合理设计先进的电催化剂提供了思路。

Heterophase intermetallic compounds for electrocatalytic hydrogen production at industrial-scale current densities. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01985

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