高效、经济的催化剂对于电解水制氢的快速发展至关重要。在高电流密度下运行的催化剂不仅要具备优异的催化活性，还需要保持稳定的结构和长寿命性能。近年来，大量研究表明，阵列结构设计在催化剂构筑中具有显著优势，能够促进气体产物的高效传输，并通过减少气泡积累所引起的应力增强电极结构稳定性。同时，异质结构设计则通过多组分协同效应优化电子结构，调控电化学中间体的吸附/脱附过程，从而提高催化活性。因此，构建异质纳米阵列成为提升催化剂活性的重要策略。然而，在纳米阵列上构筑异质结构通常涉及多步反应，界面形成受限，制约了催化性能的进一步提升。针对这一挑战，西北工业大学黄维院士团队艾伟教授课题组开发了一种级联反应策略，构建了一系列富含异质界面的纳米阵列催化剂。实验和理论研究表明，该富异质界面设计能够显著增强纳米阵列中异质界面之间的相互作用，从而提升析氢反应（HER）的催化活性和稳定性（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, DOI: 10.1002/anie.202422393）。

（RH-Ni₉S₈/RuS₂的结构表征）

以Ni₉S₈和RuS₂组成的富异质界面纳米阵列（RH-Ni₉S₈/RuS₂）为例，该催化剂展现出紧密排列的纳米棒阵列结构，每个纳米棒均由RuS₂包裹Ni₉S₈形成核壳结构。此外，级联反应机制类似于Finke-Watzky两步成核与生长过程，使Ni₉S₈和RuS₂之间的亚稳态界面在反应过程中重构，形成强耦合的异质界面，并在Ni₉S₈与RuS₂之间生成约15 nm厚的过渡层。XPS分析揭示，该异质界面实现了显著的电子转移，从Ni₉S₈向RuS₂的电子迁移进一步增强了界面电子相互作用。

（异质界面形成过程中的分子动力学模拟与理论计算）

模拟计算表明，在200 °C退火过程中，底部的S^2-向上扩散，而顶部的Ru³⁺向下扩散，最终在界面处聚集并重新分布，形成稳定且丰富的异质界面。理论计算进一步证明，RH-Ni₉S₈/RuS₂在费米能级处表现出最高的态密度，且差分电荷密度分析显示，界面处的Ru位点富电子，而Ni位点缺电子，这一高度耦合的界面可有效增强Ni₉S₈与RuS₂之间的相互作用。此外，RH-Ni₉S₈/RuS₂的ΔG_H*值接近热中性，表明其具有优异的HER动力学性能。

（电催化剂性能测试）

电化学测试结果显示，RH-Ni₉S₈/RuS₂在1000 mA cm^-2的高电流密度下，展现出180 mV的超低过电位，塔菲尔斜率仅为47 mV dec^-1。同时，Nyquist阻抗谱表明该催化剂具有快速的电荷转移动力学。此外，在1000 mA cm^-2的高电流密度下，RH-Ni₉S₈/RuS₂能够稳定运行500小时，展现出卓越的长期稳定性。

该研究是课题组继发表NiOOH/FeOOH超结构析氧催化剂（Advanced Materials, 2021, 33, 202005587）、新型同源核壳RuP@RuP₂双功能电极（Advanced Materials, 2022, 34, 202204624）、局域非晶化NiCo基磷化物（Applied Catalysis B: Environmental, 2023, 339, 123136）、以及自动态电解液中的气泡逸出机理（Advanced Materials, 2023, 35, 202307017）之后，在电解水电极材料设计领域取得的又一重要突破，为开发适用于安培级水分解的高性能催化剂提供了新的思路。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202422393

（文字：王珂 审核：王学文）