鐵磁性Ru金屬團簇的原位構造及催化應用方面獲進展

　　眾所周知，金屬在處于體態或團簇狀態下因尺寸效應而展現出不同的物理性質，進而具有不同的應用。對于3d金屬如Fe、Co和Ni來說，小尺寸團簇使得能帶變窄、電子局域增強、磁性會較體態顯著增強。而對于4d金屬如Ru等來說，其團簇傾向處于非結晶學的對稱（non-crystallographic symmetry）狀態，可表現出體態金屬不具有的鐵磁性狀態。長期以來，研究普遍認為金屬團簇的這種對稱性及配位環境的改變與其表面化學性質和催化性能相關。然而，對于如何在4d金屬中創造出魯棒性的鐵磁性，以及如何通過d軌道電子的局域性調控實現高效率的催化反應，缺乏有效手段。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所磁性相變能量轉換團隊研究員李國偉長期致力于自旋極化電子的化學效應研究。前期研究在一系列具有不同磁結構的哈斯勒合金體系中（CCS Chemistry, 2021, 3, 10, 2259）發現了顯著的催化效率——磁結構相關性，并在非磁性鉑金屬中發現了依賴于外磁場的磁致催化增強作用。據此，研究提出了在層狀或合金材料體系中構造磁性進而優化催化行為的思路（Applied Physics Letters, 2020, 116, 070501；Nature Reviews Physics, 2022, 4, 611）。

　　針對這一設想，該研究利用電化學反應過程中的原位出溶策略，在二維類鈣鈦礦氧化物單晶表面上構造了鐵磁性納米Ru團簇，制備出兼具高效率及優異穩定性的催化制氫材料（圖1）。在利用循環伏安法處理Sr2RuO4(SRO)單晶的過程中，科研團隊觀察到SRO單晶的快速活化現象：不到2分鐘的電化學還原過程使其催化制氫電流增大了四倍。研究團隊在活化后的樣品表面觀察到原位出溶現象，并結合多種手段確定了非晶Ru金屬層的存在。更重要的是，這種Ru團簇展現了意外的、高度穩定的室溫鐵磁性。研究通過計算證明，在Ru團簇周圍存在強烈的電荷衰減，而在Ru6團簇/SRO界面處則存在電荷聚集，這表明Ru6團簇內部的電荷重新分布。這種電荷重新分布能夠改善Ru活性位點的吸附行為，從而使其對H中間體吸附的吉布斯自由能接近于0，遠低于初始SRO晶體。

　　室溫鐵磁性Ru團簇層的存在，提升了SRO單晶的催化制氫效率和穩定性。在1000mA cm-2的超大電流密度下，SRO單晶在0.5 M H2SO4和1 M KOH溶液中的過電勢分別為182 mV和278 mV。在沒有歐姆校正的情況下，SRO單晶過電勢值僅略微增加到272 mV和354 mV，且該值優于目前報道的多數性能優異的產氫催化劑。此外，單晶催化材料在1000mA cm-2的電流密度下可穩定服役56天，頗具工業應用潛力。

　　相關研究成果以Observation of a robust and active catalyst for hydrogen evolution under high current densities為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。德國馬克斯·普朗克科學促進會固體微結構所、上海大學的科研人員參與研究。研究工作得到寧波材料所、國家自然科學基金面上項目等的支持。

基于SRO單晶的鐵磁性Ru團簇原位出溶及催化性能