近日，郑州大学陈德良/易莎莎团队依托国家超级计算郑州中心的强大算力，通过理论计算完成了对Ru-G/CC和Ru-H2O/CC-350电催化剂的第一性原理计算，分别对这两种材料的电催化析氢和析氧的内在机理进行了详细研究。这一研究成果在Elsevier著名学术期刊《Applied Catalysis B：Environmental》上发表，并对国家超级计算郑州中心致谢。

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针对当今社会中化石能源短缺及其使用造成的温室效应和CO2污染严重的问题，电催化水分解制氢是缓解能源危机的有效途径之一。由于Pt的稀缺性、高成本和低稳定性，迫切需要开发性价比高且稳定性好的电催化剂。此外，粉末催化剂由于其需要粘合剂严重影响了材料的导电性、稳定性且不利用回收和循环利用。本工作通过调控合成工艺参数，分别制备出具有优异HER和OER活性的Ru-G/CC和Ru-H2O/CC-350自支撑Ru基催化电极。通过丙三醇辅助溶剂热法制备的Ru-G/CC，由于其独特的非晶/结晶Ru纳米颗粒特性，使具有较好的H吸附能，能够显著降低催化反应能垒，在电流密度为10 mA cm-2时，具有最小的过电位即40 mV，Tafel斜率为76 mV dec-1，碱性条件下的HER活性和稳定性均优于Pt/C。此外，以水热法加低温处理得到的Ru-H2O/CC-350电极具有优异的OER活性（270 mV @10 mA cm-2）和稳定性。研究通过电化学表征和DFT计算分别揭示了Ru-G/CC和Ru-H2O/CC-350电极具有优异催化活性的内在机理，为开发高性能且稳定的Ru基电催化剂在碱性溶液中进行水分解提供了一个新的策略。

图1. （A）DFT计算的Ru-G/CC、Ru（101）和Pt（111）表面的△GH*；（B）活性位点上吸附的H原子的ELF图；（C）构建的模型表面Ru位点的PDOS和（D）非晶态/晶态Ru结构的总DOS图

FT计算结果表明，Ru-G/CC的表面拥有最低的△GH*（-0.20 eV）；电子定域函数（electron localized function，ELF）结果显示，电子能够快速的从Ru原子转移到吸附的H原子上，表明非晶态/晶态混合Ru结构在HER性能提升中起到了重要作用。

图2. （A）DFT计算的Ru/RuO2异质结构表面的吉布斯自由能；（B）中间物（HO*、O*和HOO*）在Ru/RuO2活性位点上吸附结构的ELF图；（C，D）Ru/RuO2结构模型表面Ru和O位点的PDOS图和（E）Ru/RuO2结构的总DOS图

DFT计算结果表明，在Ru/RuO2异质结构表面形成的中间产物O*到HOO*的转化是OER过程中的速度决定性步骤。ELF结果显示，电子聚集在Ru原子的表面，RuO2表面具有较强的氧化性以促进OER过程。