广西大学尹诗斌教授团队，CEJ：界面工程构建NiO/RuO2异质结纳米片用于大电流密度高效电解水- 大数跨境

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广西大学尹诗斌教授团队，CEJ：界面工程构建NiO/RuO2异质结纳米片用于大电流密度高效电解水

科学材料站

2021-10-30

导读：该工作将构建异质结和纳米阵列的策略相结合，实现了Ru基电解水催化剂的双功能高活性，并且优化了其在大电流密度下的稳定性。

文章信息

界面工程构建NiO/RuO2异质结纳米片用于大电流密度高效电解水

第一作者：余天琦

通讯作者：尹诗斌

单位：广西大学

研究背景

目前全世界只有约5%的氢气通过电解水技术生产，根据国际能源署的预测，电解水制氢的份额将会在2050年前达到22%。电解水技术的发展瓶颈主要是OER和HER催化剂。

Ru基催化剂中，RuO2由于其和氧中间体具有理想的结合力而作为OER催化剂被广泛研究，Ru、RuPx和RuSx等则通常被用于HER催化。因为OER和HER的反应机理不同，所以单一活性位点难以同时高效催化这两种反应。

本工作将构建异质结和纳米阵列的策略相结合，同时实现了Ru基催化剂对OER和HER的高效催化，并且优化了其在大电流密度下的稳定性。

文章简介

在这里，广西大学尹诗斌教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Interface engineering of NiO/RuO2 heterojunction nano-sheets for robust overall water splitting at large current density”的文章。

该工作将构建异质结和纳米阵列的策略相结合，实现了Ru基电解水催化剂的双功能高活性，并且优化了其在大电流密度下的稳定性。

图1. 界面工程构建NiO/RuO2异质结纳米片用于大电流密度电解水。

文章要点

要点一：界面耦合效应实现高效全水解

从XPS表征结果（图2）可以发现，NiO/RuO2/NF的Ru 3p特征峰相对于RuO2/NF发生了结合能的负移，而Ni 2p特征峰相对于NiO/NF发生了结合能的正移。这种结合能的偏移表明在两组分的界面处发生了电子重排，Ru和Ni物种的电子密度分别增大和减小，引起界面耦合作用。

据文献报道，对于OER，由于RuO2对H和O具有很强的亲和力，有利于*OH的解离；同时NiO也有利于H2O的解离，因此界面耦合效应可以结合两者的优势以提高OER活性。

对于HER，NiO对OH−具有较强的亲和力，可以加速H2O解离为OH−和*H；而NiO和RuO2界面处的电子相互作用可能有利于*H的吸附，因此提高了HER速率。TEM表征中观察到两种组分的晶格界面（图3）可以佐证异质结的形成。

图2. （a）NiO/RuO2的XRD图谱；（b）NiO/RuO2/NF中O 1s的XPS图谱；（c）NiO/RuO2/NF和RuO2/NF中Ru 3p的XPS图谱的对比；（d）NiO/RuO2/NF和NiO/NF中Ni 2p的XPS图谱的对比。

图3. NiO/RuO2/NF的微观表征。（a）SEM图；（b、c）TEM图；（d）HRTEM图；（e-h）HAADF-STEM图和对应的能谱图。

要点二：模拟工业条件下的高全水解活性和稳定性

为了探究催化剂实际应用的潜力，在模拟工业条件（6.0 M KOH电解液、60℃）下表征了其全水解活性和稳定性。NiO/RuO2/NF仅需1.42和1.90 V即可达到10和1500 mA cm−2的电流密度，并且可以在1500 mA cm−2的电流密度下稳定工作72小时，电位变化仅为190 mV。

具有良好催化性能的原因如下：（1）气泡和粗糙纳米片之间的附着力较小，因此在剧烈的反应条件下可以迅速地从催化剂表面逸出，并且纳米片原位生长在基底上，可以增强活性物质与基底的结合强度；（2）异质结的耦合效应降低了电荷的转移阻抗，加快了电子在大电流密度下的转移速率。

图4. （a）两电极体系示意图；（b）全水解极化曲线；（c）10 mA cm−2的全水解电位对比柱状图；（d）6.0 M KOH电解液、60℃下全水解计时电位法曲线。

文章链接

Interface engineering of NiO/RuO2 heterojunction nano-sheets for robust overall water splitting at large current density

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133117

通讯作者简介

尹诗斌博士，教授，博士生导师。

研究领域：燃料电池、电解水/含氮废水、电催化氧化小分子、石墨烯宏量制备及应用开发等。迄今已在EES、AM、AFM、EER等期刊上发表学术论文80余篇，申请国家发明专利17件，出版专著2部，主持国家自然科学基金面上项目等共计25项。现任广西石墨烯标准技术委员会委员，《电化学》杂志编委，中国化学会会员，中国化工学会专业会员，国际电化学协会会员，中国能源研究会资深会员，NSFC评审专家，南非NRF评审专家，教育部学位中心论文评审专家等等。2016年入选广西高校百人计划，2017年获得广西石墨烯系列标准奖励，2019年被认定为广西高层次人才，同年入选广西高校卓越学者和创新团队，并获得广西自然科学一等奖。