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文 章 信 息
通过 Ru/RuO2 异质界面构建和锌原子掺杂调控RuO2的界面和电子结构，实现在碱性和酸性介质中的高性能全水分解
第一作者：张晓霞，苏紫云，项东
通讯作者：陈卫教授*，郑伏琴副教授*
单位：广西师范大学
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研 究 背 景
电化学水分解作为高纯氢气生产最可行的技术之一，有望成为将电力转化为可持续能源的一种可再生途径。为了通过电催化实现经济且可持续的氢燃料，需要高效电催化剂，为阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）提供理想的动力学。此外，为了使水电解有高的稳定性和效率，理想的电催化剂可在较宽的pH范围内工作。迄今为止，只有一些贵金属基电催化剂在酸性电解质中表现出优异的活性，但其稳定性通常在电解20 h后明显下降。因此，开发在酸性和碱性溶液中均具有高的催化性能和稳定性的双功能电催化剂对电催化产氢非常重要，迄今仍然具有挑战性。
在所有Pt替代催化剂中，RuO2是特别适用于酸性介质中 OER 的优异电催化剂之一，其价格相对较低（Pt 成本的二十分之一）、且具有较高的氧结合能力和稳定性， 甚至优于IrO2。然而，由于RuO2容易氧化成较高价的RuO4，从而溶解在强腐蚀电解液中，其活性和耐久性距离应用还很远。本文基于对RuO2催化剂进行合理改性构建，通过引入Ru/RuO2异质界面和杂原子Zn，调控 RuO2的界面和电子结构，实现在碱性和酸性介质中的高性能全水分解。
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文 章 简 介
基于此，陈卫教授和郑伏琴副教授在国际知名期刊AFM上发表题为“Interface and Electronic Structure Regulation of RuO2through Ru/RuO2Heterointerface Construction and Zn Atom-Doping for High-Performance Overall Water Splitting in Both Alkaline and Acidic Media”的文章。
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本 文 要 点
要点一：催化剂制备
本研究通过易热解Ru修饰Zn-BTC (H3BTC = 1,3,5-苯三羧酸)MOF，合成了具有合适非晶态的Zn掺杂Ru/RuO2(Ru/ZnRuO2, 5.6 nm)多孔多面体异质结。具有周期性多孔结构和高比表面积的BTC-MOFs是制备高比表面积电催化剂的理想前驱体，可防止热解过程中形成的纳米颗粒团聚。得到的Ru/ZnRuO2结晶度不高，具有丰富的缺陷，能有效增加活性位点的暴露并优化其电子结构，从而提高了OER中RuO2的活性位点数、内在活性和稳定性。
图 1. Zn 掺杂 Ru/RuO2的合成示意图
要点二：催化剂中活性组分
Ru/RuO2的异质界面和杂原子Zn在电催化HER和OER中扮演着不同角色。研究发现，在OER催化过程中，Ru/ZnRuO2优异的OER活性和稳定性主要来源于Zn原子的掺杂，且在Zn原子完全浸出后能进一步提高催化剂的稳定性；异质界面在OER中的作用主要是提高催化过程中的电荷传递速率，尤其是在高过电位下的电荷传递，从而提高催化活性。而在HER催化过程中，虽然Ru/RuO2具有更大的贡献，Ru/ZnRuO2的优异性能同时来源于Ru/RuO2异质界面和Zn原子的掺杂。
图 2.催化剂在酸性电解质中的OER性能
图 3.催化剂在酸性电解质中的OER稳定性及反应机理
图4. 催化剂在酸性和碱性介质中的HER性能
要点三：催化剂性能
由于Ru/ZnRuO2独特的结构和高比表面积，所制备的Ru/ZnRuO2具有高的本征活性和丰富的活性位点。Ru/ZnRuO2 在 10 mA cm-2 下表现出低过电势，在 0.5 M H2SO4 中的 OER 为 184 mV，在 1.0 M KOH 中的 HER 为 35 mV，优于大多数已报道的电催化剂。更重要的是，Ru/ZnRuO2 可用作高效双功能电催化剂，用于酸性和碱性介质中的全水分解，电解电压分别为 1.540 和 1.567 V（10 mA cm-2），并且具有长期耐久性，可分别工作220和100小时以上。
图5. 催化剂的全水解性能
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文 章 链 接
Interface and Electronic Structure Regulation of RuO2 through Ru/RuO2 Heterointerface Construction and Zn Atom-Doping for High-Performance Overall Water Splitting in Both Alkaline and Acidic Media
https://doi.org/10.1002/adfm.202409306
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通 讯 作 者 简 介
陈卫教授简介：广西师范大学教授，博士生导师。1997年在西北大学获学士学位，2000年于中科院长春应用化学研究所获硕士学位，2003年在厦门大学获博士学位。2005-2010年在美国加州大学圣克鲁兹大学进行博士后研究，2010-2022年于中科院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室工作。已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等刊物发表SCI论文240余篇，论文被SCI期刊他引21000余次, H指数为80。2018-2020及2022年度科睿唯安全球高被引学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主持或参与了国家自然科学基金面上和重点项目、国家重点研发计划、广西创新研究团队项目等。先后获得吉林省自然科学一等奖（排名第一），吉林省自然科学学术成果一等奖（排名第一），中国电化学青年奖及中国科学院大学-BHPB导师科研奖等荣誉称号。
郑伏琴副教授简介：广西师范大学副教授，硕士研究生导师，2011年在燕山大学获学士学位，2014年于中国科学院化学研究所获硕士学位，2020年于中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位。2020年6月入职广西师范大学化学与药学学院。目前已在Adv. Funct. Mater., Coord. Chem. Rev., ACS Appl. Mater. Inter., Acta Phys. -Chim. Sin. 等国际国内SCI期刊上公开发表学术论文10余篇。主持国家自然科学基金2项，广西自然科学基金1项。
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第 一 作 者 简 介
张晓霞，本文共同第一作者，广西师范大学2020级硕士。
苏紫云，本文共同第一作者，广西师范大学2021级硕士。
项东，本文共同第一作者，渤海大学，讲师
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课 题 组 介 绍
团队目前有7位专任教师，在读博士生3名，硕士生30余名。团队涉及多个研究方向，包括无机纳米材料结构设计及其在电分析和能源电催化中的应用、气敏传感器件的研制及应用、高性能燃料电池催化剂的构建及应用、柔性可穿戴设备研究、二维材料电合成与应用、膜科学、基础电化学、测量不确定度的评定及应用、发光纳米材料设计及应用、锂离子电池等
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