圖1展示了通過快速冷卻法合成富含堆疊層錯（SFs）的Ru納米催化劑（SF-Ru）的過程，與通過慢速冷卻法合成的無SFs納米粒子形成對比。圖1a頂部展示了快速冷卻的合成路徑，而底部則展示了慢速冷卻的路徑。圖1b中的紅外圖像和溫度-時間曲線展示了在氬氣和液氮中Ru的溫度變化情況。圖1c展示了在hcp-Ru中從‘AB’排列到‘ABC’排列的堆疊層錯區(qū)域的結(jié)構(gòu)，以及在拉伸和壓縮應變下d帶中心變化的示意圖。圖1d和e分別展示了SF-Ru和Ar-Ru的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像和相應的選區(qū)電子衍射（SAED）模式。這些圖像和模式揭示了SFs的存在，這些缺陷通過改變原子間距引入了拉伸或壓縮應變，顯著影響了Ru的電子結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，通過非平衡合成策略，可以在Ru納米粒子中引入豐富的SFs，從而優(yōu)化其電催化性能。

圖2詳細描述了LN-Ru（在液氮中制備的Ru）的透射電子顯微鏡（TEM）圖像和原子配置。圖2a展示了LN-Ru的TEM圖像，圖2b展示了沿著[110]h/[11-20]f軸觀察的LN-Ru堆疊層錯的原子配置。圖2c展示了圖2a中選定區(qū)域（紅色為fcc，粉色為hcp）沿箭頭方向的強度剖面。圖2d展示了LN-Ru的EDS元素映射圖像，證實了樣品的高純度。圖2e和f分別展示了LN-Ru和Ar-Ru的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像以及幾何相位分析（GPA）應變圖，這些圖像顯示了納米粒子表面的應變分布。這些結(jié)果表明，SFs的引入導致了局部內(nèi)應變的顯著變化，這種周期性的應變場通過優(yōu)化Ru的d帶中心位置，從而增強了Ru位點的電子轉(zhuǎn)移能力，提高了OER性能。

圖3通過X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（XAFS）技術(shù)，研究了LN-Ru、Ar-Ru和Ar/H2-Ru的表面性質(zhì)和化學狀態(tài)。圖3a展示了Ru 3p的高分辨率XPS譜圖，圖3b展示了Ru 3d5/2的XPS譜圖，而圖3c展示了O 1s的XPS譜圖。圖3d展示了在Ru K邊的X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）譜圖，圖3e展示了傅里葉變換擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）譜圖。圖3f展示了從XANES譜圖擬合得到的Ru的氧化態(tài)。這些結(jié)果表明，LN-Ru表面存在輕微氧化，且樣品主要由金屬相組成，平均氧化態(tài)為+0.35。這些發(fā)現(xiàn)為理解LN-Ru的電子結(jié)構(gòu)和催化活性提供了重要信息。

圖4展示了LN-Ru在1 M KOH和0.5 M H2SO4中的電催化HER性能。圖4a展示了LN-Ru在10 mA/cm2電流密度下僅需33 mV的過電位，優(yōu)于20 wt% Pt/C。圖4b展示了LN-Ru的Tafel斜率最低，表明其HER反應動力學最快。圖4c比較了不同樣品的過電位和Tafel斜率。圖4d至i展示了LN-Ru在OER和整體水分解中的性能，包括LSV曲線、Tafel斜率、過電位比較以及長期穩(wěn)定性測試。這些結(jié)果表明，LN-Ru在酸性和堿性環(huán)境中均展現(xiàn)出卓越的HER和OER活性，且具有良好的長期穩(wěn)定性。

圖5基于實驗分析構(gòu)建了hcp (11?20)/fcc (110)模型，展示了LN-Ru中原子排列的頂視圖和側(cè)視圖。圖5b至e展示了在0 V下，不同應變條件下hcp、SF-hcp、SF-fcc和fcc的自由能圖。圖5f展示了OER過電位與d帶中心位置和OOH與O中間體自由能的關(guān)系圖。圖5g展示了在不同應變下，LN-Ru hcp(11?20)/fcc(110)模型中四個不同化學環(huán)境下的d帶投影態(tài)密度（DOS）。這些結(jié)果表明，壓縮應變擴大了d帶，降低了d帶中心相對于費米能級的位置，減弱了活性位點上中間體的吸附能力，從而優(yōu)化了電催化性能。這些DFT計算結(jié)果為理解SFs和應變效應如何影響LN-Ru的催化活性提供了理論支持。