重庆大学党杰教授、吕学伟教授等ACS Nano：协同界面优化策略指导制备RuCo和MXene异质结电催化剂用于高效全水解- 大数跨境

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重庆大学党杰教授、吕学伟教授等ACS Nano：协同界面优化策略指导制备RuCo和MXene异质结电催化剂用于高效全水解

科学材料站

2023-05-23

导读：重庆大学党杰教授、吕学伟教授等ACS Nano：协同界面优化策略指导制备RuCo和MXene异质结电催化剂用于高效全水解

文章信息

协同界面优化策略指导制备RuCo和MXene异质结电催化剂用于高效全水解

第一作者：李金洲

通讯作者：党杰*

单位：重庆大学材料科学与工程学院/钒钛冶金及新材料重庆市重点实验室

研究背景

发展新型清洁能源是实现“碳达峰、碳中和”的关键。氢能被广泛认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源，具有“能量密度高、零排放、效率高、来源广、可再生“等特点。目前，工业上主要使用煤裂解、天然气重整等制氢技术，存在碳排放量大，制氢纯度低等问题。而如果采用基于绿电的电解水制氢技术，则能有效解决这些问题。然而目前电解水制氢只占制氢市场的4%，限制其发展的主要因素是昂贵的电极成本和高反应过电位造成的电力成本，而且电解水反应界面涉及复杂的气、液、固多相反应，因此对催化剂的活性、稳定性、电子传输能力等提出了很高的要求。虽然界面工程是提升催化剂催化活性的有利手段，但其界面性质和内在机理仍需进一步研究。

文章简介

基于此，来自重庆大学的党杰教授、吕学伟教授等人，以协同界面优化策略为指导，通过电沉积、配体交换和原位生长策略设计，并成功制备了一种负载于双金属MXene上MOF衍生的超细RuCo纳米颗粒异质结催化剂（MXene@RuCo NPs），采用该双功能催化剂仅需要1.52 V的分解电压即可驱动10 mA/cm2的电流密度。

研究成果近期在国际知名期刊ACS Nano上发表：“Collaborative Interface Optimization Strategy Guided Ultrafine RuCo and MXene Heterostructure Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting”。

图1. 异质界面的电催化水分解示意图。

本文要点

要点一：异质界面的合成及其物化性质

利用电沉积、配体交换和原位生长策略替代了传统的水热法，使得RuCo纳米颗粒与MXene紧密结合，因此展现出了丰富的异质界面。对该界面进行了详细的表征，证明了所其良好的亲水性和电子传输能力，从而有利于催化反应中间体与活性位点的结合，增强它们之间的相互作用能力。

图1 (a)催化剂合成流程图，(b) 催化剂的XRD图，催化剂及其对照组的(c) 拉曼光谱图 (d) 接触角，(e-g) 功函数

要点二：分散的活性位点

由于MXene表面带负电荷，因此能吸引金属阳离子，从而使RuCo-ZIF前驱体优先在MXene表面生长。RuCo-ZIF退火后形成的RuCo纳米颗粒均匀地分散在MXene纳米片上，形成大量异质界面的同时显著提升了活性位点的分散性和利用率。

图2 (a-c) RuCo-ZIF、MXene@RuCo-ZIF和MXene@RuCo NPs的SEM图像，(d)透射电镜图像，(e-f)HRTEM图像，(g) 选定区域电子衍射(SAED)图(MXene：红线，RuCo：蓝线，CoO：绿线)，(h) TEM图像和MXene@RuCo NP的相应元素映射。

要点三：优化的活性位点电子结构

通过XPS和同步辐射研究了催化剂活性相的电子结构和配位环境。结果表明Ru掺杂和异质界面的构建实现了电子在不同组元中的合理分配，从而优化了催化剂表面的吸附与脱附能，有助于提高催化活性。

图3 (a-c)MXene@RuCo NPs的XPS谱，(a) Co 2p，(b) C 1s和Ru 3d，(c) Ti 2p和Ru 3p， (d) 催化剂Co-K边的XANES谱，(e) R空间，(f) 小波变换(WT)，(g) 催化剂Ru-K边的XANES光谱，(h) R空间，(i) 小波变换（WT）

要点四：优异的电催化水分解活性

所制备催化剂展现出能和贵金属催化剂媲美的过电位和Tafel斜率，当被同时作为阳极和阴极组成水电解槽时，仅需1.52 V的分解电压即可驱动10 mA/cm2的电流密度。装置的法拉第效率为98.6%，生产每m3氢气耗电量仅为3.38 kW·h，运行效率高达86.7%。

图4 (a, b) 电催化HER性能，(c) HER的相应Tafel图，(d, e) 电催化OER性能，(f) OER的相应Tafel图，(g) EIS图，(h) Cdl值，(i) 1000个周期前后的HER和OER极化曲线。

要点五：DFT揭示作用机理

Ru作为引入的第二活性位点降低了OER过程限速步骤的能垒。同时，诱导了催化剂表面的电荷再分配，避免了钴的过度氧化，从而使Co位点保持了优异的HER活性。MXene与RuCo纳米颗粒界面间的强相互作用进一步调节了活性位点的d带中心，优化了催化剂表面和吸附物之间的相互作用力，平衡了吸脱附过程。

图5 (a) HER反应的自由能图，(b) OER反应的自由能图(Co位点)，(c) OER反应的自由能图(Ru位点)；态密度(DOS)和相应的电子构型，(d) Co NPs，(e) RuCo NPs，(f) MXene@RuCo NPs，(g) 水吸附的自由能图，(h) Co 3d轨道对应的d带中心

文章链接

“Collaborative Interface Optimization Strategy Guided Ultrafine RuCo and MXene Heterostructure Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting”

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02956?ref=pdf

通讯作者简介

党杰，重庆大学教授，国家自然科学基金优秀青年基金、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金获得者，入选中国科协青年人才托举工程；获教育部科技进步一等奖、全国高校冶金院长奖、四川省冶金青年科技奖、中国有色金属工业科学技术奖一等奖等奖励。主要从事氢及氢冶金、资源高值化利用方向的研究工作。主持国家自然科学基金3项、国家重点研发计划青年科学家项目任务1项、国家重点研发计划项目子课题2项、省部级及企业联合攻关项目10余项。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等刊物共发表SCI论文近60篇，授权发明专利21件。担任Transactions of Nonferrous Metals Society of China、中国有色金属学报、中国冶金等期刊青年编委；Crystals客座编辑。任中国金属学会冶金过程物理化学分会委员、中国有色金属创新联盟专家委员会委员、中国再生资源产业技术创新战略联盟专家委员会委员。

课题组介绍

重庆大学多金属矿绿色提取冶金研究组

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