Dual Modulation of Interfacial Water Structure and Metal‐Support Interaction via Single‐Atom Sites for Industrial Hydrogen Evolution

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作者
Guanghui Xu,Mingzi Sun,Xiaolong Jia,Cheng Huang,Chuanfu Li,Bolong Huang,Meiling Xiao,Changpeng Liu,Jianbing Zhu,Wei Xing
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74720-e74720
标识
DOI:10.1002/adma.74720
摘要

ABSTRACT Ru‐based catalysts are promising cathodes for alkaline hydrogen evolution reaction (HER) in anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE), yet sluggish water dissociation, overly strong Ru─H adsorption, and durability loss still limit their practical performance. Herein, we construct a controlled M─N─C (M═Fe, Co, Ni) support series for anchoring Ru particles and establish a dual‐regulation strategy that couples interfacial water activation with support‐induced Ru electronic optimization. M─N 4 coordination motifs mainly regulate the near‐surface water environment and promote water‐dissociation kinetics, while the M─N─C supports modulate the electronic structure of Ru through metal‐support interaction. The optimized Ru/Ni─N─C delivers an ultralow overpotential of 9 mV at 10 mA cm −2 and achieves 4000 mA cm −2 at 2.0 V in a practical AEMWE, with an apparent voltage increase rate of 3.1 µV h −1 over 1600 h. In situ Raman and infrared spectroscopies reveal that Ni─N 4 motifs enrich and polarize interfacial K + ‐H 2 O species, facilitating the Volmer step. Theoretical calculations further show that Ni─N 4 lowers the water dissociation barrier to 0.19 eV, while the Ni─N─C support optimizes Ru─H adsorption to −0.07 eV through metal‐support interaction. This work provides mechanistic guidance for designing efficient Ru‐based alkaline HER catalysts by integrating water‐structure regulation with support‐mediated Ru electronic modulation.
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