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大连海事大学AFM:高温冲击法制备电子缺陷型Ru/O-CNT催化剂高效碱性HER

大连海事大学AFM:高温冲击法制备电子缺陷型Ru/O-CNT催化剂高效碱性HER 中科精研材料制备技术研究院
2024-12-30
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导语



在绿色氢能源生产的探索中,大连海事大学宗旭、马伟光教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表的最新研究,通过高温冲击法成功制备了电子缺陷型Ru/O-CNT催化剂,为碱性氢进化反应(HER)提供了一种高效的解决方案,这一成果对于推动可持续能源技术的发展具有重要意义。


研究亮点
  • 高温冲击法创新:该团队采用高温冲击(HTS)方法,制备了电子缺陷型Ru纳米催化剂和氧化碳纳米管(O-CNT)之间的强稳定电子金属-载体相互作用(EMSI),实现了高效稳定的碱性HER。
  • 性能卓越:Ru/O-CNT催化剂在碱性HER中展现出卓越的性能,仅需10 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度,并在50 mV下展现出2.96 s⁻¹的卓越周转频率(TOF),优于大多数报道的Ru基催化剂和基准Pt/C电催化剂。
实验结果与方法
  • 催化剂制备与表征:通过硝酸预处理CNT生成氧官能化表面(O-CNT),随后通过浸渍-冷冻干燥法吸附Ru³⁺前驱体,最终通过HTS方法生成Ru纳米簇负载的O-CNT。
  • 电子结构优化:Ru纳米簇通过Ru-O-C键强烈锚定在O-CNT载体上,促进了从Ru到O-CNT载体的电子转移,增强了EMSI,优化了H*中间体的吸附能。
    图文解读
    • 图1:展示了Ru/O-CNT电催化剂的合成流程和HTS过程中温度的快速变化,以及XRD图谱和TEM图像,证实了Ru纳米簇的高分散性和较小的颗粒尺寸。
    • 图2:通过XPS和XANES光谱,比较了Ru/O-CNT、Ru箔和RuO₂的吸收边位置,揭示了Ru的电子缺陷状态。
    • 图3:展示了Ru/O-CNT在碱性HER中的卓越性能,包括LSV极化曲线、Tafel曲线和EIS Nyquist图。
    • 图4:通过原位ATR-SEIRAS光谱,显示了不同电位下Ru/CNT和Ru/O-CNT界面水分子振动的变化。
    • 图5:DFT计算分析了Ru/O-CNT与Ru/CNT的电子转移情况,以及Ru d轨道中心位置的变化。
    • 图6:AEMWE性能测试,展示了Ru/O-CNT基AEMWE的低电池电压和长期稳定性。





    总结与展望
大连海事大学宗旭、马伟光教授团队的这项研究不仅提出了一种可扩展的合成策略,用于制备具有强化学EMSI的电子缺陷型Ru基电催化剂,而且深化了对金属载体相互作用调制机制的理解,为开发更高效稳定的电催化剂以实现可再生能源转换提供了新的思路。
深圳中科精研科技有限公司作为国内领先的焦耳加热技术供应商,其FJH焦耳闪蒸加热装置能够在瞬时内(ms级)实现超高速升温至3500K以上,达到超快热冲击效果。这种设备的优势在于超高速烧结和烧结时间瞬态,与本研究中高温冲击法制备的Ru/O-CNT催化剂在原理上有异曲同工之妙。中科精研的技术在材料科学领域的应用前景广阔,特别是在电催化剂的制备和性能优化方面,有望为未来的能源转换和存储技术提供强有力的技术支持,与大连海事大学的研究相辅相成,共同推动能源科技的发展。

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