CEJ：基于固相反应制备三功能Ru-RuO2/Mn-MoO2复合物：一种高效的电催化剂用于全解水与可充电锌空电池

第一作者：谢鑫

通讯作者：丁洁*，刘玉山*

单位：郑州大学

本世纪以来，不断增长的能源需求和伴随而来的环境危机日益促进了对可持续能源转换和储存技术的探索，包括水电解槽与金属-空气电池。析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)作为最基础的反应面临着反应势垒高、动力学缓慢等问题。高效的电催化剂是克服这些问题的关键核心。此外，由于这三种反应的性质不同，单组分电催化剂难以同时满足所有需求，而使用不同的催化剂用于不同的反应意味着额外的设备费用。因此，制备效率高，耐久性好，成本低的多功能电催化剂是很有必要的。与制备相对容易的双功能电催化剂相比，三功能电催化剂的制备仍是一个挑战。

考虑到Ru的HER活性堪比Pt基材料，而其对应的氧化物RuO₂是一种众所周知的优异的OER催化剂，因此，通过简单的氧化还原过程将Ru和RuO₂进行复合以实现高效的双功能催化活性是可行的。而Mn基材料在ORR中有着广泛的应用，通过合理的设计实现Mn的掺杂可以赋予材料良好的ORR性能。

基于此，来自郑州大学的刘玉山教授与丁洁教授在国际知名期刊CHEM ENG J上发表题为“Tri-functional Ru-RuO₂/Mn-MoO₂ composite: A high efficient electrocatalyst for overall water splitting and rechargeable Zn–air batteries”的研究论文。该论文通过简单的固相反应策略制备得到了Ru-RuO₂/Mn-MoO₂（RRMM）三功能催化剂。RRMM催化剂表现出优异的析氢、析氧和氧还原性能。全解水仅需1.53 V即可实现10 mA cm⁻²的电流密度，同时其组装的锌空气电池也表现出优异的性能。密度泛函理论计算表明，Ru-RuO₂活性单元促进了反应体系HER和OER的反应动力学，而Ru和Mn-MoO₂的协同作用使RRMM催化剂具有优异的ORR活性。

在Ar气氛下，当温度升高至克服动力学势垒时，前驱体RuO₂/MnOX-MoS₂中的MoS₂和RuO₂纳米颗粒之间会发生氧化还原固相反应。MoS₂中的S可以将相邻的RuO₂还原为金属Ru，而其自身被氧化为SO₂气体释放，与此同时，MoS₂原位转化为MoO₂并伴随大量氧空位的产生，而氧空位的出现有利于Mn的掺杂，从而得到Ru-RuO₂纳米颗粒修饰在Mn掺杂的MoO₂纳米片上的复合物。研究人员通过XRD、TG、XPS、同步辐射以及电镜等表征证实了这一固相反应的发生以及RRMM的生成。

实验结果显示，RRMM在HER和OER中均表现出优异的催化活性和稳定性，在1.0 M KOH中10 mA cm⁻²电流密度时的过电位值分别为15 mV和260 mV，此外，通过Mn的掺杂赋予了材料ORR的性能，表现出0.83 V的半波电位。所组装出的电解水装置仅需1.53 V的低电压即可达到10 mA cm⁻²的电流密度。所组装出的锌空气电池也表现出良好的性能与稳定性。

DFT计算结果表明Ru-RuO₂活性单元促进了HER和OER的反应动力学，而Ru和Mn-MoO₂的协同作用使RRMM催化剂具有优异的ORR活性。

Tri-functional Ru-RuO₂/Mn-MoO₂ composite: A high efficient electrocatalyst for overall water splitting and rechargeable Zn–air batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143760

刘玉山 教授简介：郑州大学化学学院，副教授、博士生导师。致力于新型能源转化与储存材料的制备与研究。发表研究论文60余篇，被他引2300余次，H因子29。http://www5.zzu.edu.cn/hxxy/info/1152/1972.htm。

丁洁 教授简介：郑州大学化学学院（绿色催化研究中心），副教授、硕士生导师。致力于新型功能分子晶态材料的制备与研究。发表研究论文40余篇。http://www5.zzu.edu.cn/hxxy/info/1146/2979.htm

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