氢气作为资源丰富、可再生的清洁能源，长期以来令人瞩目。最为简便的大规模制备氢气的电解水方法，高度依赖于优异的析氢电催化剂。催化剂的活性物质大都为铂等贵金属，然而贵金属过于贵稀而影响了推广应用。贵金属催化剂分散在载体上可以提高贵金属的利用率，从而降低贵金属使用的成本。然而，价格仅为铂二十五分之一的贵金属钌，作为析氢反应（HER）催化剂，却鲜有研究。开发出新型高效的钌析氢催化剂，具有重要的学术价值和经济意义。

北京大学黄富强教授，北京航空航天大学刘利民教授与北京工业大学的隋曼龄教授（共同通讯作者）在近期的J. Am. Chem. Soc. 上发表了一篇题为“Well-Dispersed Ruthenium in Mesoporous Crystal TiO₂ as an Advanced Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”的文章。该文章中，研究人员开发出一种独特的仿生矿化刻蚀法，合成钌原子单分散的介孔单晶TiO₂，析氢性能极其优异。高分辨透射电子显微镜与元素面扫描测试结果表明，单个钌原子的均匀分散在具有介孔结构的TiO₂晶体中。结合X射线光电子能谱与电子顺磁共振测试结果，首次证实，钌表现出异常的+5高价态而非+4价，而晶格中的部分钛原子接收来自钌的电子形成Ti³⁺。在0.1 M KOH电解液中，Ru-TiO₂的起始过电势仅为82 mV，通过铝还原调节样品的电子结构，其析氢性能得到了进一步的加强，起始过电势降低至45 mV，10 mA/cm²的电流密度下过电势仅为150 mV。通过第一性原理的密度泛函计算证明，Ru⁵⁺与Ti³⁺协同作用降低了氢吸附能，使得其与氢吸附火山顶更为接近，从而获得优异的电化学析氢性能。

北京大学化学与分子工程学院研究生农淑英和董武杰，以及北京航空航天大学尹骏闻为共同第一作者。

图1.（a）介孔TiO₂晶体制备过程；（b）介孔TiO₂晶体TEM图像;（c）介孔Ru-TiO₂晶体元素分布图谱；（d）R-TiO₂:Ru(5%)，TiO₂:Ru(5%)，TiO₂，RuO₂与Pt/C的LSV曲线；（e）HER氢吸附自由能图。