冯立纲教授、胡超权教授， JMCA，观点：富缺陷的Ru/g-C3N4纳米片中Ru-N偶联高效催化电化学析氢反应- 大数跨境

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冯立纲教授、胡超权教授， JMCA，观点：富缺陷的Ru/g-C3N4纳米片中Ru-N偶联高效催化电化学析氢反应

科学材料站

2021-06-22

导读：该文章通过一种简单有效的策略来控制合成Ru/g-C3N4催化剂，首先将三氯化钌和三聚氰胺络合，冷冻干燥后再在氮气氛围下进行热处理

文章信息

富缺陷的Ru/g-C3N4纳米片中Ru-N偶联高效催化电化学析氢反应

第一作者：李东泽

通讯作者：冯立纲*，胡超权*

单位：扬州大学，中国科学院过程工程研究所

研究背景

析氢反应的进行需要高效的催化剂来克服反应能量势垒，传统的贵金属铂基催化剂因其稀缺性和高成本使其无法进行大规模的商业应用。金属钌具有与铂相似的氢键强度，但价格相对低廉，有潜力代替铂作为高效析氢反应催化剂。

理论计算和实验表明，负载型的钌基催化剂可以通过强的金属-载体相互作用有效提高催化剂的利用率。其中，杂原子掺杂的碳能够在提供高导电率的同时优化材料局部结构，因此被认为是一种理想的载体材料。

石墨相氮化碳由于其独特的结构特征和可见光响应的特性在光催化领域受到广泛研究，但对其在电化学析氢反应方面的研究还相对较少。将石墨相氮化碳和金属钌相结合，增强Ru-N相互作用可能对催化剂的催化性能提升有很大帮助，而目前还没有相关的研究或报道。

文章简介

基于此，来自扬州大学的冯立纲教授与中国科学院过程工程研究所的胡超权教授合作，在国际知名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Electrochemical hydrogen evolution reaction efficiently catalyzed by Ru-N coupling in defect-rich Ru/g-C3N4 nanosheets”的文章。

该文章通过一种简单有效的策略来控制合成Ru/g-C3N4催化剂，首先将三氯化钌和三聚氰胺络合，冷冻干燥后再在氮气氛围下进行热处理，即可得到具有Ru-N耦合结构的富缺陷的Ru/g-C3N4纳米片催化剂，其在酸性和碱性电解质中均表现出优异的析氢反应催化性能。

图1. Ru/g-C3N4纳米片催化剂催化的析氢反应示意图。

本文要点

要点一：Ru/g-C3N4纳米片催化剂的简单制备

催化剂的成本不仅与材料本身价格有关，还与催化剂的制备过程有很大关系。复杂繁琐的制备方法会大大增加催化剂的生产成本，不利于实现工业化应用，简单高效地制备大批量的优质催化剂才是工业化生产的最终追求。

本工作探索了一种简单有效的策略来控制合成Ru/g-C3N4催化剂，即通过简单地将三氯化钌和三聚氰胺进行络合，冷冻干燥后再在氮气氛围下进行热处理，即可得到具有Ru-N耦合结构的富缺陷的Ru/g-C3N4纳米片催化剂。

在热解过程中，前驱体中钌离子与三聚氰胺络合促进Ru-N耦合结构的形成，三聚氰胺则碳化生成富缺陷的g-C3N4纳米片。通过优化前驱体比例，得到了具有最佳催化性能的Ru/g-C3N4催化剂，其在酸性和碱性电解质中均表现出优异的析氢反应催化性能。

要点二：Ru-N耦合结构促进析氢反应性能

XPS光谱表征表明Ru/g-C3N4催化剂中吡啶氮含量相对于g-C3N4中大大减少，同时新增了Ru-N键组分。这是由于热解过程中三聚氰胺中的C-N=C键与钌离子相互作用后发生断裂生成Ru-N键。同时，理论计算表明体系中Ru和N的轨道杂化有利于Ru-N键的形成，促进电子转移和中间体吸附。

电化学测试表明，本工作的Ru/g-C3N4催化剂在比活性、质量活性和周转频率方面均比Ru/C有数倍的本征活性增强。由于Ru-N偶联结构的存在，该催化剂体系具有更快电荷转移速率，反应动力学以及更多暴露的活性位点。

其在酸性和碱性电解质中均表现出更加优异的析氢反应催化性能，仅需要27mV（酸性）和34mV（碱性）的过电位就能达到10 mA cm-2的电流密度。此外它还表现出了高的催化稳定性，能够在 10000 次循环伏安测试和20个小时的稳态运行测试后保持稳定。

要点三：前瞻

金属钌基催化剂作为贵金属铂的替代品，在未来的水分解领域中有着极大的研究价值和应用潜力。通过构建金属钌与杂原子之间的相互作用，优化金属钌的电子结构，提高其催化活性和稳定性，是一条有效的途径。

通过对反应原材料的筛选，反应条件的优化和把控，可以有效降低制备的繁琐程度，以简单高效的方法制备出高性能的催化剂。

本工作中为碱性和酸性电解液中的电化学析氢反应提供了一种稳定可靠的催化剂，同时也为高性能钌基析氢反应催化剂的设计和制备提供了理论依据。

文章链接

Electrochemical hydrogen evolution reaction efficiently catalyzed by Ru-N coupling in defect-rich Ru/g-C3N4 nanosheets

https://doi.org/10.1039/D1TA03809E

通讯作者介绍

冯立纲教授。

2012年于中国科学院长春应用化学研究所物理化学（专业）获得博士学位，先后在瑞士洛桑联邦理工大学和瑞典查尔莫尔理工大学进行博士后科学研究工作，2016年作为校特聘教授引进到扬州大学化学化工学院工作，于2017年入选江苏特聘教授计划,2018年获江苏省六大人才高峰支持。研究工作围绕燃料电池、氢能储存及转化展开，着重研究高效电极材料和电催化反应机理。在SCI期刊上发表学术文章100多篇，相关论文被引用5000多次，单篇最高被引1000多次,申请多项专利,多篇文章入选ESI高被引文章。

胡超权教授。

2009年获中国科学院过程工程研究所化学工程专业博士学位，之后分别在中科院工程热物理所、香港大学化学系、瑞典Chalmers University of Technology化工系从事研究工作。现为中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室研究员，主要研究方向包括：含碳可再生资源的利用及催化转化过程中的机理研究、矿产资源在催化反应中的应用、反应器设计等。已在国际主流期刊发表论文20余篇，总引约350余次(H指数13)。