图1. (a) NiRu-CNTs催化剂合成示意图。(b) SEM图, (c) TEM图 (插图: 纳米颗粒尺寸分布), (d) HR-TEM图, (e) SAED图。(f) HAADF图和 (g) NiRu-CNTs的EDX元素分布图。
分析结果: 该图清晰地展示了催化剂的合成路径和微观结构。SEM和TEM图像显示合金纳米颗粒均匀分布在CNTs上，未破坏CNTs的管状结构。HR-TEM显示的晶格间距（0.205 nm）与六方密堆积（hcp）Ru的（101）晶面相符。SAED图样证实了其结晶性。EDX元素 mapping 证明了Ni和Ru元素在纳米颗粒中的均匀分布和成功合金化，同时显示了N元素在碳管上的均匀分布，表明形成了富氮载体。
图2. (a) NiRu-CNTs的XRD图谱。高分辨率XPS谱: (b) NiRu-CNTs的N 1s, (c) NiRu-CNTs和Ru-CNTs的Ru 3p, (d) NiRu-CNTs和Ni-CNTs的Ni 2p。
分析结果: XRD图谱在~23°处的峰对应于CNTs的（002）晶面，在38.38°, 42.11°, 43.97°出现的衍射峰归属于hcp结构的金属合金（与hcp Ru标准卡片PDF#06-0663一致），且未观察到其他杂峰，证实成功合成了NiRu合金。XPS分析表明N物种以吡啶N、吡咯N和石墨N的形式存在，有助于提升催化性能。更重要的是，与单金属样品（Ru-CNTs和Ni-CNTs）相比，NiRu-CNTs中Ru 3p的结合能发生正移，而Ni 2p的结合能发生负移，这有力地证明了Ni和Ru之间存在电子耦合效应（电荷从Ni转移至Ru），优化了催化剂对反应中间体的吸附能，是性能提升的关键原因。
图3. (a) NiRu-CNTs, Ni-CNTs, Ru-CNTs和Pt/C的HER LSV曲线。(b) 在10和100 mA cm⁻²下的过电位对比。(c) 相应的塔菲尔斜率图。(d) 双电层电容（Cdl）拟合曲线。(e) 奈奎斯特图。(f) 5000次CV循环测试前后的极化曲线。
分析结果: NiRu-CNTs表现出最佳的HER活性，其过电位（η₁₀ = 5.1 mV, η₁₀₀ = 42.6 mV）远低于Pt/C和其他对照样品。其塔菲尔斜率（31.3 mV dec⁻¹）最小，表明其反应动力学最快。NiRu-CNTs具有最大的双电层电容（Cdl = 10.9 mF cm⁻²）和电化学活性面积（ECSA），意味着暴露了更多的活性位点。最小的电荷转移电阻（Rct = 29.5 Ω）表明其具有优异的电荷传输能力。经过5000次循环后，性能衰减可忽略不计（过电位仅增加7 mV），显示了出色的稳定性。这些优异的性能归因于合金效应、强SMSI以及富氮载体提供的丰富活性位点和良好的传质能力。
图4. (a) NiRu-CNTs和对照样品的OER LSV曲线。(b) 在10 mA cm⁻²下的过电位对比。(c) 相应的塔菲尔斜率。(d) 2000和5000次循环前后的OER极化曲线。
分析结果: NiRu-CNTs同样表现出卓越的OER性能，在10 mA cm⁻²下的过电位仅为270 mV，低于RuO₂（330 mV）和其他对照样品。其塔菲尔斜率（54.1 mV dec⁻¹）也是最小的，表明其具有快速的OER动力学。经过2000和5000次加速循环测试后，催化剂的极化曲线几乎没有变化，显示了极高的稳定性。计时电流法测试也证实了其可稳定运行超过11小时。这表明NiRu-CNTs是一种高效且稳定的双功能催化剂。
图5. (a) 全水分解装置示意图。(b) 使用NiRu-CNTs和Pt/C+RuO₂的双电极电解槽的极化曲线。(c) 在1.60V下的计时电流测试。
分析结果: 将NiRu-CNTs同时用作阴极和阳极构建双电极电解槽进行全水分解。结果显示，NiRu-CNTs || NiRu-CNTs电解槽在10 mA cm⁻²下的槽压仅为1.59 V，显著低于贵金属组合Pt/C + RuO₂（1.70 V）。在大电流密度（50 mA cm⁻²）下，其优势更加明显（1.74 V vs 1.92 V）。在1.60 V恒定电压下进行12小时的稳定性测试，NiRu-CNTs的电流密度衰减（~20%）远小于Pt/C+RuO₂（~27%），证明了其在实际应用中的巨大潜力。法拉第效率测试表明其产氢产氧效率接近100%，无副反应发生。