氢能作为一种零碳排放、环境友好且具有高能量密度的能源载体，被认为是解决全球能源危机和环境污染问题的理想选择之一。然而，传统电解水制氢技术面临着阳极氧析出反应动力学缓慢、膜材料成本高、耐久性差等关键瓶颈，严重制约了其大规模应用。

为解决上述挑战，福耀科技大学新材料与新能源学院蒋建中教授团队在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上发表了题为“Lattice‐Confined Ru Clusters Driving Efficient Hydrazine‐Assisted Membrane‐Free Hydrogen Production”的研究论文。

研究团队创新性地采用熔盐辅助策略，成功制备了一种钌团簇部分嵌入SnO2晶格内部的负载型催化剂（Ru@SnO2）。该独特的“晶格限域”结构兼具强金属-载体相互作用与高活性位点暴露的双重优势，有效解决了传统负载催化剂在稳定性和活性之间的固有矛盾。

在碱性介质中，Ru@SnO2表现出卓越的双功能电催化性能：在氢析出反应中仅需9 mV过电位即可达到10 mA cm-2，而在肼氧化反应中仅需−82 mV。将其应用于双电极系统，可在0.074 V下实现100 mA cm-2的电流密度，并稳定运行超过1000小时。进一步将该催化剂集成于无膜电解系统，仅需0.877 V即可驱动1.0 A cm-2的高电流密度，相较于传统阴离子交换膜电解槽（2.726 V），能耗降低高达67.8%。为深入理解其高性能来源，研究团队结合同步辐射X射线吸收谱、高分辨透射电镜与密度泛函理论计算，系统揭示了晶格限域结构对电子结构与反应路径的调控机制。研究发现，限域效应导致Ru的d带中心下移，优化了氢吸附自由能；界面处显著的功函数差异诱导了内置电场，加速了水分子解离；而肼分子在Ru@SnO2表面以“端对双齿”模式吸附，显著提升了其氧化反应效率。

该研究不仅为设计高性能、低贵金属负载的双功能电催化剂提供了新思路，也为无膜、低能耗制氢系统的开发奠定了坚实的理论与实验基础。相关重要研究成果以题为《Lattice‐Confined Ru Clusters Driving Efficient Hydrazine‐Assisted Membrane‐Free Hydrogen Production》发表在国际期刊《Advanced Energy Materials》上，online：https://doi.org/10.1002/aenm.202504762。该期刊是Wiley出版社旗下在能源材料领域的顶尖期刊，以其前瞻性与高影响力著称。

图1. Ru@SnO₂催化剂的合成策略与多尺度结构表征。(a) 本工作提出的熔盐辅助合成Ru@SnO2示意图，该方法实现了Ru团簇在SnO2晶格中的部分嵌入与限域。(b) Ru@SnO2、实验室自制的SnO2载体及Ru样品的X射线衍射图谱对比。(c) Ru@SnO2的透射电子显微镜图像和 (d) 高分辨透射电子显微镜图像，展示了其纳米棒形貌与清晰的晶格条纹。(e-g) Ru@SnO2的原子分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像，直观揭示了Ru团簇在SnO2晶格中的嵌入状态（水母状构型）。(h) Ru@SnO2的HAADF-STEM图像及相应的Sn、O、Ru元素分布图，证实了Ru在载体上的均匀分布。

图2. Ru@SnO₂的电子结构与配位环境深度解析。(a) Ru@SnO2与参考材料的O 1s X射线光电子能谱，用于分析氧物种与氧空位浓度。(b) 电子顺磁共振谱，进一步证实Ru@SnO2中具有更丰富的氧空位。(c) Sn 3d 和 (d) Ru 3p XPS谱图，显示了Sn位点电子密度增加与Ru向载体发生电子转移。(e) Sn K边与 (f) Ru K边X射线吸收近边结构谱，揭示了金属与载体间的电荷重新分布。(g) Sn K边与 (h) Ru K边扩展X射线吸收精细结构谱的傅里叶变换幅度，用于解析局域配位结构。(i) Ru@SnO2在Ru K边的R空间EXAFS拟合结果。小波变换EXAFS等高线图：(j) Ru@SnO2, (k) Ru箔, (l) SnO2，用于区分不同键合的背散射信号。

图3. Ru@SnO2在碱性介质中的析氢反应性能评估。(a) Ru@SnO2、实验室自制的SnO2与Ru、商业Ru/C及Pt/C催化剂的HER极化曲线。(b) 从极化曲线推导出的相应塔菲尔斜率图。(c) 通过塔菲尔曲线外推法得到的交换电流密度。(d) 将Ru@SnO2在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位和塔菲尔斜率，与近期报道的优秀Ru基HER催化剂进行性能对比。(e) 通过循环伏安法测得的双电层电容，用于评估电化学活性面积。(f) 基于贵金属质量计算的质量活性及 (g) 在100 mV过电位下估算的转换频率，用于评估本征活性。(h) 在10 mA cm-2恒定电流密度下的计时电位法长期稳定性测试。

图4. Ru@SnO2的肼氧化反应性能及其在节能制氢系统中的应用。(a) Ru@SnO2在不同N2H4浓度电解液中的HzOR极化曲线，用于确定最佳反应条件。(b) 在1.0 M KOH + 0.5 M N2H4电解液中，Ru@SnO2与各参考催化剂的线性扫描伏安曲线对比。(c) 从LSV曲线推导出的相应HzOR塔菲尔斜率。(d) Ru@SnO2在10 mA cm-2下的工作电位和塔菲尔斜率与已报道HzOR催化剂的性能对比图。(e) 在0.2 V (相对于可逆氢电极) 下的质量活性和 (f) TOF值，展示了其卓越的贵金属利用率和本征活性。(g) 以Ru@SnO2同时作为阳极和阴极的双电极系统LSV曲线：HzOR辅助水分解与传统的OER辅助水分解性能对比。(h) 在50 mA cm-2电流密度下的长期HzAWS稳定性测试。(i) 基于Ru@SnO2催化剂构建的无膜电解槽系统示意图。(j) Ru@SnO2在MFE系统 (1.0 M KOH + 0.5 M N2H4) 中的全电池极化曲线，展现了其在高电流密度下的低能耗优势。

图5. 基于DFT计算的电子结构调控与氢吸附行为机理研究。(a) Ru-in-SnO2 (晶格嵌入) 和 (b) Ru-SnO2 (表面负载) 模型的差分电荷密度等值面 (黄色代表电子积累，青色代表电子耗尽)，直观展示了界面处的电荷转移。(c) 计算的从Ru到SnO2载体的电荷转移量及 (d) Ru在载体上的吸附能，证明了嵌入结构具有更强的界面相互作用与稳定性。(e) 在Ru(001)、Ru-in-SnO2和Ru-SnO2表面计算的氢吸附自由能，晶格限域效应优化了ΔG*H，使其更接近于零。(f) Ru-in-SnO2和 (g) Ru-SnO2中Ru 4d轨道的投影态密度，限域结构引起d带中心下移，削弱了氢吸附。(h) Ru-in-SnO2和 (i) Ru-SnO2中Ru–H键的晶体轨道哈密顿布居数曲线，负的ICOHP值更小，证实了限域结构中Ru–H键的弱化。

图6. 基于DFT计算的水解离与肼氧化反应机理深入剖析。(a) 在Ru(001)、Ru-in-SnO2和Ru-SnO2表面计算的水解离能垒 (IS: 初始态；TS: 过渡态；FS: 终态)，限域结构显著降低了水分解的能垒。(b) Ru-in-SnO2的原子结构模型和 (c) 其计算的功函数。(d) Ru-SnO2的原子结构模型和 (e) 其计算的功函数。两者差异表明限域结构在界面诱导出更强的内置电场。(f) 在Ru(001)、Ru-in-SnO2和SnO2表面的HzOR自由能图，限域结构有效降低了决速步(*N2H4去氢化)的能垒。(g) 计算的N2H4在不同表面的吸附能。插图：N2H4吸附构型的差分电荷密度等值面，揭示了Ru-in-SnO2表面独特的端对双齿吸附模式是其高活性的关键。