Nano-Micro LettersJun Zhang, Xiao-yu Chen, Bin Wu*, Xiang-yang Guo, Xian-lin Qu, Qun-zhi Ma, Ying Wang, Jia-yi Li, Wei Liu, Xu Li, Li-yun Cao, Yi Wang, Jian-feng Huang*, Jing-xiang Zhao*, Fu-xiang Zhang*, Yong-qiang Feng*
Nano-Micro Letters (2026)18: 438
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02289-3
1. 相工程调界面能，反向溢流促析氢：通过对ZrO₂进行晶相工程调控，可有效调节Ru与ZrO₂之间的电子金属-载体相互作用及功函数差异，进而诱导氢反向溢流，最终提升碱性介质中的电催化析氢反应性能。
2. 低过电位高活性，电解槽中稳三百：Ru@m-ZrO₂/C催化剂过电位低、质量活性高(为商业Pt/C的45倍)，且装配于阴离子交换膜电解槽中可实现300小时以上的稳定运行。
纳米材料的晶相工程(PEN)是提升电催化性能的重要策略，通过精确控制晶体相结构可优化电子结构和表面吸附行为。然而，现有研究多聚焦于活性金属的晶相调控，对催化剂载体晶相在析氢反应中引导氢迁移的作用关注不足。二氧化锆(ZrO₂)具有多晶型(单斜相、四方相、立方相)、亲水性和化学稳定性等优势，是研究载体晶相、金属-载体相互作用和氢溢流关系的理想平台。本文以单斜相ZrO₂(m-ZrO₂)和四方相ZrO₂(t-ZrO₂)为载体负载Ru纳米团簇，系统探究载体晶相对电子金属-载体相互作用(EMSI)及氢反向溢流(HRS)的调控机制。
陕西科技大学冯永强、黄剑锋/南洋理工武斌/哈尔滨师范大学赵景祥/大连化物所章福祥等合作，通过晶相工程调控二氧化锆(ZrO₂)的晶体相结构，系统研究了单斜相(m-ZrO₂)和四方相(t-ZrO₂)作为载体负载Ru纳米团簇对析氢反应(HER)性能的影响。结合光谱学与理论计算，揭示了强电子金属-载体相互作用及功函数差驱动界面电荷积累、加速水分解和氢反向溢流，显著提升碱性HER性能。Ru@m-ZrO₂/C在1 M KOH中仅需28 mV过电位即可达到10 mA cm⁻²，质量活性达2.72 A mgRu-1，为商业Pt/C的45倍。
I 晶相“双生子”：钌团簇在单斜/四方ZrO₂上的定向构筑
图1. 晶相结构表征。
II 电荷“分流”：单斜/四方ZrO₂对钌电子态的不同调制
图2. 电子与配位结构表征。
图3. 电催化HER性能(1 M KOH)。
图4. HER机理的实验证据。
图5. HER机理的理论计算。
图6. 实际应用中的HER性能。
本文系统揭示了ZrO₂载体的晶相在调控Ru纳米团簇电催化HER性能中的关键作用。
通过对比单斜相(m-ZrO₂)与四方相(t-ZrO₂)两种载体，发现m-ZrO₂与Ru之间更强的电子金属-载体相互作用和更大的功函数差导致界面电荷积累，不仅促进了Zr位点上的水吸附与解离，还通过调控Ru的d带中心加速了氢反向溢流过程。Ru@m-ZrO₂/C在多种电解质(碱性、酸性、含氯及模拟海水)中均展现出卓越的HER活性和稳定性，AEMWE器件可在工业级电流密度下稳定运行超过300小时。
本研究为通过载体晶相工程设计高性能电催化剂提供了全新思路，未来可拓展至其他多晶型载体体系，推动高效、耐用的电解水制氢催化剂的发展。
武斌
本文通讯作者
南洋理工大学 博士后研究员
(1)碳纳米材料在能源存储与转换中的应用；(2) 基于同步辐射X射线技术的原位表征；(3)新型电解水催化剂的表界面调控及其界面原位表征的机理的研究。
▍主要研究成果
南洋理工大学材料学院研究员。中国科学院化学研究所获硕士学位，柏林亥姆霍兹材料与能源研究中心获博士学位(柏林洪堡大学自然科学博士学位)，其后在德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心从事博士后研究，现在新加坡南洋理工大学从事博士后研究。聚焦于碳纳米材料在能源存储与转换中的应用及其基于同步辐射X射线技术的原位表征，以及新型电解水催化剂的表界面调控及其界面原位表征的机理的研究。以通讯作者或合作作者在国际顶尖期刊上发表论文20余篇，影响因子大于15的超过19篇，并且获得累计超过3000次引用，ESI 高被引2篇，以第一专利权人授权国家实用新型专利2项。受邀担任多个国际知名SCI期刊的青年编委。申请人同时受邀担任SCI期刊Catalysts和Energies的客座主编以及国际Nature-Springer出版社旗下Scientific Report的编委会编委。获得2025年度碳未来青年科学家荣誉奖。
▍Email：bin.wu@ntu.edu.sg
赵景祥
本文通讯作者
哈尔滨师范大学 教授
低维纳米材料结构、修饰及其在电催化性能的理论研究。
▍主要研究成果
哈尔滨师范大学化学化工学院教授。本科毕业于北华大学化学系，哈尔滨师范大学获硕士学位，吉林大学获博士学位。其后分别在黑龙江大学和美国波多黎各大学从事博士后研究和国家公派访问学者。2004年起留校任教，历任助教、讲师、副教授，2014年晋升为教授。主要从事低维纳米材料结构、修饰及其在电催化性能的理论研究。近年来结合理论计算与实验，研究低维纳米材料在“碳循环、氮循环”中的应用，取得了一系列原创性成果。已发表学术论文200余篇，其中以通讯作者在权威期刊上发表论文50余篇，他引超10000次，H-index 56。担任Rare Metal、Adv. Power Mater.等期刊青年编委，应邀为Nature、Nat. Commun.、J. Am. Soc. Chem.等期刊审稿。
▍Email：zhaojingxiang@hrbnu.edu.cn
章福祥
本文通讯作者
中国科学院大连化学物理研究所 研究员
(1)光/电催化分解水制氢；(2)二氧化碳还原和合成氨；(3)光热催化天然气(甲烷、乙烷等)转化等。
▍主要研究成果
中科院大连化物所研究员。于南开大学获得学士、博士学位，先后到巴黎第六大学和东京大学做博士后研究，2011年9月回国入所工作。主要从事太阳能光化学转化研究，包括光/电催化分解水制氢、二氧化碳还原和合成氨、光热催化天然气(甲烷、乙烷等)转化等方向，涉及光/电催化新材料智能开发与精准合成、原位表征与催化反应机理研究等内容。以通讯作者或合作作者发表多篇高水平论文。
▍Email：fxzhang@dicp.ac.cn
黄剑锋
本文通讯作者
陕西科技大学 教授
(1)纳米电池能源材料；(2)纳米光电催化环境材料；(3)C/C复合材料及高温抗氧化涂层材料；(4)功能薄膜与涂层材料；(5)先进陶瓷材料。
▍主要研究成果
陕西科技大学党委副书记、校长。主要从事于纳米电池能源材料、纳米光电催化环境材料、功能薄膜与涂层材料、先进陶瓷材料、陶瓷色釉料、陶瓷装饰技术、功能复合材料等方面的研究。出版专著4部，以通讯作者或合作作者发表发表论文共计390余篇，SCI收录论文200余篇。授权国家发明专利200余项，十余项专利技术获得了工程应用。
▍Email：huangjf@sust.edu.cn
冯永强
本文通讯作者
陕西科技大学 教授
(1)富勒烯碳纳米材料；(2)金属有机框架材料；(3)纳米光电催化材料。
▍主要研究成果
陕西科技大学材料学院教授，入选陕西省“高层次人才”计划，陕西省青年科技新星，陕西省青年科技者协会理事，陕西高校优秀共产党员，中国化工学会精细化工专业委员会青年委员。本科毕业于四川大学材料学院，中国科学院化学研究所获博士学位，其后分别在中国科学院兰州化学物理研究所和日本高知大学水热化学研究所国家重点实验室从事助理研究员和博士后工作。2016年加入陕西科技大学至今。主要从事于富勒烯碳纳米材料、金属有机框架材料、纳米光电催化材料的应用研究。以通讯作者或合作作者发表论文60余篇，参与撰写英文专著一部，申请国家发明专利35项，授权13项。
▍Email：fengyq@sust.edu.cn
撰稿：原文作者
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