开发具有成本效益的钌基HER电催化剂替代商业Pt/C对推进质子交换膜水电解（PEMWE）至关重要。然而，钌基催化剂对氢的强吸附限制了其活性。本文报道了一种通过在二维ZIF-67（Ru@LZIF(002)）的（002）面上植入Ru原子来调整电子结构和改善传质的策略，以优化Ru的d带中心（εd）和氢溢出行为。由于Ru的超薄纳米片结构和优化的εd，减弱了过强的H吸附能，促进了电子/质传递。Ru@LZIF（002）在10 mA cm - 2下的过电位为9.2 mV，在100 mA cm - 2下的持久稳定性为35天。Ru@LZIF（002）的质量活度和价格活度分别是Pt/C的2.9倍和14.7倍。更令人印象深刻的是，Ru@LZIF（002）在PEMWE中以4 A cm - 2的高电流密度提供2.01 V的电池电压。在4 A cm−2下工作1200小时的优异长期耐久性和7.5 × 10−3 mV h−1的超低衰减率已经实现，使其成为PEMWE应用中Pt/C催化剂的一种具有成本效益的替代品。
a) Ru@LZIF（002）的制备工艺示意图。b)合成的LZIF的SEM图像。c) Ru注入的Gibbers自由能图。d)注入不同晶面的Ru的形成能。e)离子交换后ICP-OES结果。插图为ICP-OES测试离子交换后的光学图像。f) Ru@LZIF（002）的拉曼光谱。g) Ru@LZIF（002）的PXRD谱图。h) Ru@LZIF(002) HRTEM图像。i) (d)中直线的强度分布图。j) HAADF-STEM图像及其对应的EDS元素映射。
a) Ru@LZIF（002）和b) Ru-LZIF的XPS-VBS光谱。c)不同侧面植入Ru的模型的TDOS图像。d) Ru位点εd与ΔGH*的关系。e) HER各Ru和Co位的吉布斯自由能图。
a)催化剂的电化学极化曲线。不同催化剂的塔菲尔斜率b)和交换电流密度c)。d)过电位@ 10 mA cm−2与先前报道的钌基催化剂的比较。e)过电位为30 mV时Ru@LZIF（002）和Pt/C的质量活动和计算价格活动。f) H-cell电解槽示意图及Ru@LZIF（002）气态产物的测量和计算值。g) Ru@LZIF（002）在100 mA cm−2电流密度下的稳定性试验。
a) Ru@LZIF（002）和b) Pt/C在不同扫描速率下的CV曲线。c)氢解吸峰位置与扫描速率的关系图。d) Ru@LZIF（002）和e) Pt/C在不同工作电位下的Nyquist图。f) EIS衍生的各种催化剂的Tafel图。
a)原理图，b) PEMWE系统照片。c) CCM法制备的MEA电极照片。以d) Ru@LZIF（002）、e) Pt/C和f) Ru-LZIF为阴极催化剂的PEMWE的极化曲线及相应的η欧姆损失、η传质和η活化。g)不同电流密度下传质损失的比较。h)在4 A cm−2 PEMWE中Ru@LZIF(002)||IrO2的计时电位测量。i)电压衰减率与最近报道的贵金属基PEMWE催化剂的比较。
综上所述，我们提出了一种低成本的层状Ru@LZIF(002)，将Ru植入（002）面，用于PEMWE中的高效HER。我们通过全面的结构表征证实了（002）Ru@LZIF（002）中Ru原子的超薄纳米片和原子分散。XPS-VBS和DFT计算表明，在Ru@LZIF（002）中植入的Ru原子的d带中心得到了优化，其中Ru和H之间的相互作用减弱，从而促进了氢的溢出。与Ru-LZIF和60% Pt/C相比，Ru@LZIF（002）的贵金属质量活性分别提高了约45.5倍和2.9倍。Ru@LZIF（002）的价格活度为454.90 A美元，过电位为30 mV，约为Pt/C的14.7倍。值得注意的是，Ru@LZIF（002）表现出优异的PEMWE性能，低电压为2.01 V，达到4 a cm−2，在4 a cm−2的持续工作中，电压衰减率为7.5 × 10−3 mV h−1，具有良好的稳定性。在2 A cm−2时，Ru@LZIF（002）阴极PEMWE的传质损失比Pt/C小2.06倍。基于有效的2D MOF策略和定制的电子结构来加速HER动力学，Ru@LZIF（002）作为PEMWE中Pt/C的潜在替代品，在未来的氢基经济中显示出巨大的前景。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202410657
https://doi.org/10.1002/smll.202410657
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