近日，中心在绿氢能源电催化材料设计上取得进展，相关成果”Coordination engineering of single-atom Ruthenium in 2D MoS₂ for enhanced hydrogen evolution”以研究论文的形式发表于国际顶级期刊Chemical Science，郑州大学化工学院为第一通讯单位，新能源科学与工程交叉研究中心邵功磊研究员和周震教授为共同通讯作者，博士研究生郭东和焦梦改副研究员为论文共同第一作者。

在单原子催化剂(SACs)中，配位工程能够调控单原子活性位点的配位环境，从而优化催化剂的活性、选择性和稳定性。然而，SACs中异质金属原子的调节机制尚不明确，且SACs中特定配位结构与其催化性能之间的结构-活性关系仍需进一步探讨。

针对上述问题，团队在二维MoS₂纳米片上构建了10种由不同配位数的非金属原子X(X = S、O、N、F)与金属Ru原子形成的催化活性位点，并通过理论计算系统研究了非金属原子对异质金属Ru活性位点的氢气析出反应(HER)催化活性影响。结果表明，非金属原子X能够优化Ru原子的d带中心，并改善Ru原子周围的电子密度分布，从而显著影响HER过程中的ΔG_H*。其中，单原子Ru与两个O原子和一个S原子配位形成的O₂-Ru-S₁配位结构时，其ΔG_H*接近 0，仅为 0.046 eV。

图1、Ru-X-MoS₂催化析氢性能的密度泛函理论计算结果

实验上通过缺陷工程将非金属原子X(X = O、N、F)引入MoS₂的基面上，与异质金属Ru原子配位形成不同Ru配位结构的SACs(Ru-X-MoS₂)。全pH值范围内的HER性能测试表明：Ru-X-MoS₂在酸性、中性和碱性电解质中的HER催化活性均超过了商业Pt/C。其中，Ru-O-MoS₂在酸性、中性和碱性电解质展现出最优HER性能，当电流密度为10 mA cm^-2时，过电位分别为 16、54和50 mV，Tafel 斜率分别为 34.5、97.6 和 45.0 mV dec^-1，并且该催化剂在连续运行60小时后仍保持良好的催化活性。通过拉曼光谱、XPS和XAS等先进的表征技术，揭示了Ru-O-MoS₂催化剂的活性位点配位结构为O₂-Ru-S₁，同时O原子的掺杂使Ru-O-MoS₂催化剂的晶格间距变大，从而促进了反应过程中物质的传输。这项研究不仅为配位工程的发展提供了重要的理论基础，也为新型催化材料的开发提供了可行的途径。

图2、Ru-X-MoS₂催化析氢性能的评估

该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后基金和河南省高校重点科研项目等资助。

论文信息：

Coordination engineering of single-atom Ruthenium in 2D MoS₂ for enhanced hydrogen evolution

http://dx.doi.org/10.1039/D4SC04905E

郭东（第一作者）：郑州大学2021级博士研究生，主要从事电催化新材料开发与设计、单原子结构优化和二维纳米材料的可控制备等工作。

焦梦改（共同一作），现为郑州大学化工学院直聘副研究员，博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，于2021年10月入职郑州大学化工学院。多年来主要从事重要能源转化过程中催化材料设计及相关催化机制的理论计算研究。先后主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上项目、河南省高等学校重点科研项目等研究。目前，在Angewandte Chemie International Edition、Nature Communication、Journal of Materials Chemistry A和Nanoscale等期刊发表论文40余篇，单篇引用最高700余次。

邵功磊（通讯作者）：现为郑州大学化工学院直聘研究员。主要从事于二维纳米材料活性位点的构建、催化性能的评估、活性位点的解析和催化机制探究，设计和开发了系列高性能二维纳米电催化剂。近五年来，在国际期刊上发表论文30余篇，以一作或者通讯作者在Nature Communications、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Advanced Science和Chemistry of Materials等发表论文18篇。先后获得了国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上项目、河南省高等学校重点科研等项目资助。曾获得Wiley期刊优秀作者贡献奖、河南省教育厅科技成果奖优秀科技论文一等奖、河南省创新创业优秀博士后、第一届河南省博士后创新创业大赛优胜奖、河南省教育厅高校征文类一等奖等荣誉。

周震（通讯作者）：郑州大学化工学院院长、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、机器学习与实验相结合揭示电化学储能新机制，设计系列锂/钠离子电池新材料，构筑可充电Li-CO₂电池储能新体系。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用44000余次，h-index为120。2014-2023年连续十年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2023年连续六年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。