近日，西北大學郭曉輝教授課題組報道了一種在石墨烯氣凝膠 (GA) 基底上生長具有核殼結構的 Ru/NiO? 催化劑 (Ru/NiO?@GA) 用于電解水制氫的通用策略。所制備的 Ru/NiO?@GA 催化劑表現出優異的電催化性能：HER 僅需 32 mV 的低過電位即可達到 10 mA cm?² 的電流密度，OER 過電位也僅為 237 mV；將其同時作為陽極和陰極組裝成全解水裝置時，法拉第效率接近 100%，并在超過 200 小時的測試中展現出穩定的催化性能，優于商用 RuO?‖Pt/C 電解槽。這種優異的催化性能可歸因于 Ru 與 NiO? 之間的強相互作用--該作用導致晶態 Ru 晶格壓縮以及 Ni 價態調控。壓縮的晶態 Ru 展現出卓越的 HER 活性，而非晶態 NiO? 殼層不僅為 OER 提供活性位點，還具備出色的抗腐蝕能力。本研究凸顯了晶態/非晶態異質結構在開發先進雙功能電催化劑中的重要作用。

圖1 (a) Ru/NiO?@GA 合成流程示意圖；(b-d) Ru/NiO?@GA 的 TEM 圖像；(e) Ru/NiO?@GA 的選區電子衍射圖；(f) Ru/NiO?@GA 的能量色散 X 射線光譜元素分布圖。

　　合成的 Ru/NiO?@GA 氣凝膠復合催化劑具有良好的力學性能，宏觀上均勻的分散和超低的密度。金屬納米顆粒均勻的分散在石墨烯氣凝膠上，通過高倍透射圖及 EDX mapping 很好地證明了核殼異質結構，同時選區電子衍射圖證明了結晶 Ru 與非晶 NiO。氣凝膠結構加快了電解質傳質速度，提升催化劑活性。

圖2 (a) Ru/Ni@GA-H 和 Ru/NiO?@GA 的 XRD 圖譜。(b) Ru/Ni@GA-H、Ru/NiO?@GA 和 GA 的拉曼光譜。(c) Ru/NiO?@GA 的 C 1s 和 Ru 3d XPS 譜；(d-f) Ru/NiO?@GA 的 Ru 3p、Ni 2p 和 O 1s XPS 譜。

　　XRD 譜圖進一步證實了結晶 Ru 和非晶 NiO 的形成，拉曼譜圖證實了 Ru/NiO?@GA 具有豐富的缺陷結構，用 XPS 測定 Ru/NiO?@GA 和 Ru@GA 的元素和價態。相比 Ru@GA，Ru/NiO?@GA 氣凝膠中的 Ru 3p 的結合能表現出負移，這一結果表明非晶態 NiO? 與晶態 Ru 之間存在強烈的電子相互作用。

圖3 (a) 在 1.0 M KOH 條件下不同樣品的 HER 線性掃描伏安曲線；(b) Tafel 斜率；(c) 在 10 mA cm?² 和 50 mA cm?² 電流密度下的過電位；(d) 電化學阻抗譜和 (e) 不同樣品的雙電層電容值 (Cdl)。(f) Ru/NiO?@GA 在 10 mA cm?² 電流密度下的循環穩定性 (插圖：3000 次循環前后的極化曲線)。

　　電化學測試結果表明，這種核殼異質結構的可以極大地加快電荷轉移速率，提高復合催化劑的電化學活性面積，提升催化劑的 HER 性能。Ru/NiO?@GA 具有最低的過電位 (32 mV @10 mA cm?²) ，最小的 Tafel 斜率 (47.26 mV dec?¹) 和最快的電子轉移速率，并在 200 小時內表現出優異的耐腐蝕性。并且穩定性測試后數據表明，Ru/NiO? 核殼結構得到了和好的維持，表明非晶 NiO 對結晶 Ru 具有和好的保護作用。

圖4 (a) 在 1.0 M KOH 條件下不同樣品的 OER 線性掃描伏安曲線；(b) Tafel 斜率；(c) 在 10 mA cm?² 和 50 mA cm?² 電流密度下的過電位；(d) 電化學阻抗譜和 (e) 不同樣品的雙電層電容值 (C_dl)。(f) Ru/NiO?@GA 在 10 mA cm?² 電流密度下的循環穩定性 (插圖：3000 次循環前后的極化曲線)。

　　電化學測試結果表明，這種核殼異質結構的可以極大地加快電荷轉移速率，提高復合催化劑的電化學活性面積，提升催化劑的 OER 性能。與 HER 結果一致 Ru/NiO?@GA 具有最低的過電位 (237 mV @10 mA cm?²) ，最小的 Tafel 斜率 (25.3 mV dec?¹) 和最快的電子轉移速率，并在 200 小時內表現出優異的耐腐蝕性。并且穩定性測試后數據表明，Ru/NiO? 核殼結構得到了和好的維持，在 NiO? 殼層出現了結晶 NiOOH，表明在 OER 測試過程中 NiO? 發生了部分電子重構形成了真正的活性位點 NiOOH。

圖5 (a) Ru/NiO?@GA 的 HER 和 OER 性能；(b) 在 1 M KOH 溶液中，Ru/NiO?@GA//Ru/NiO?@GA 與 Pt/C//RuO? 電解池的極化曲線；(c) Ru/NiO?@GA//Ru/NiO?@GA 在 10 mA cm?² 電流密度下的長循環測試；(d) 由 Ru/NiO?@GA//Ru/NiO?@GA 驅動的全解水 (OWS) 系統的數碼照片；(e) 氧氣和氫氣產量隨時間的變化；(f) 全解水過程中氫氣和氧氣的理論計算量與實驗測量量對比。

Core–shell Ru/NiO?@graphene composite aerogels as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting 

Jiangcheng Zhang, Hu Yao, Xiayu Wang, Xin Yu, Qiuhan Cao, Xiaoyi Dong and Xiaohui Guo 

Inorg. Chem. Front., 2025, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D5QI00912J

郭曉輝 教授

　　郭曉輝，西北大學教授, 博士生導師。主要研究方向為多孔納米結構材料的制備及其電化學儲能/催化，在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Sci. 等期刊發表 SCI 論文 90 多篇，被引次數達 5000 多次。獲得過 2010 年國家自然科學二等獎，2011 年陜西省青年科技新星，2013 年教育部新世紀優秀人才，2016 年陜西省青年科技人才獎，2022 年陜西省高等學校優秀成果一等獎等稱號。