中南大学刘敏教授 Nano Energy：成对Ru-O-Mo组合位点在碱性溶液中高效稳定析氢- 大数跨境

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中南大学刘敏教授 Nano Energy：成对Ru-O-Mo组合位点在碱性溶液中高效稳定析氢

科学材料站

2021-01-19

导读：该通讯文章，首先利用DFT计算分析出Ru-O-Mo位点形成有利于Ru对水的吸附和解离，从而促进碱性析氢反应的进行。

文章信息

成对Ru-O-Mo组合位点在碱性溶液中高效稳定析氢

第一作者：李黄经纬，刘康

通讯作者：傅俊伟*，刘敏*

单位：中南大学，沙特阿卜杜拉国王科技大学

研究背景

随着化石燃料日益严重的消耗和随之而来的环境污染问题，人们将目光投向了地球上丰富而清洁的能源和资源，如太阳能、风能、地热能等。开发利用清洁能源可以有效缓解能源危机，减少温室气体排放，促进“碳中和”目标的实现。

水电解制氢被认为是满足当前和未来可再生能源需求的最有前途的方法之一。目前，工业氢气主要是通过在碱性溶液中电解水来生产的。阻碍高效体系发展的主要问题之一是需要在碱性溶液中吸附和解离水，导致反应动力学缓慢。目前，有必要寻找一种具有足够低的过电势的催化剂来驱动析氢反应。

文章简介

近日，来自中南大学的刘敏教授与沙特阿卜杜拉国王科技大学的Andrea Fratalocchi教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Paired Ru–O–Mo ensemble for efficient and stable alkaline hydrogen evolution reaction”的通讯文章。

本通讯文章首次利用密度泛函计算分析，得出Ru-O-Mo位点的形成有利于Ru对水的吸附和解离，从而促进碱性析氢反应。制备了一种具有界面成对Ru-O-Mo位点的Ru/MoO2催化剂，并用TEM和同步辐射EXAFS证实了成对Ru-O-Mo位点的存在。在红外光谱和水传感实验中，发现具有界面成对Ru-O-Mo位点的Ru/MoO2催化剂表现出较强的水吸附能力。

最后，在电化学测试中，成对的Ru-O-Mo位点表现出优异的碱性HER性能，其过电位为16mV，并具有40h稳定性。

图1. 成对Ru-O-Mo位点组合通过提高水吸附促进水解离示意图。

本文要点

要点一：通过DFT理论计算成对Ru-O-Mo位点形成提高Ru对水的吸附和解离

通过理论设计，在界面上形成Ru-O-Mo位点可以改善Ru对水的吸附和解离，从而促进碱水解动力学，为碱性析氢催化剂的设计提供了依据。

图 2催化剂的设计和相应DFT计算。

要点二：通过TEM和EXAFS表征合成材料Ru/MoO2具有成对Ru-O-Mo位点

通过简单的水热和热解反应制备了Ru/MoO2催化剂，TEM和EXFAS证实了界面成对Ru-O-Mo位点的存在。XPS和近边吸收光谱证实了Ru向MoO2的电荷转移，这与理论计算一致。结合红外和水传感实验，界面成对Ru-O-Mo位点的Ru/MoO2催化剂对水的吸附能力最强。

图3 催化剂的制备工艺和结构表征

图4 界面结构、电荷转移和H2O吸附/解离能力。

要点三：具有优异的性能和稳定性

最后，在电化学测试中，成对的Ru-O-Mo位点表现出优异的碱性HER性能，其过电位为16mV，稳定性为40h。通过对Tafel斜率的研究，发现成对Ru-O-Mo位点的决速步由Volmer step变为Tafel/Heyrovsky step，表明它改善了Ru对水的吸附和解离。

总之，本研究为设计高效稳定的碱性析氢催化剂提供了新的思路。

图5在1 M KOH溶液中进行电催化HER测试

文章链接

Paired Ru–O–Mo ensemble for efficient and stable alkaline hydrogen evolution reaction

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521000252

通讯作者介绍

刘敏教授

中南大学物理与电子学院教授，博士研究生导师。科睿唯安高被引学者，四青人才，湖南省青年百人计划，湖南省杰青。主持科技部重点研发国际间重点合作项目，基金委面上项目，基金委大科学装置联合项目（同步辐射），四青人才项目等。以第一作者/通讯作者在Nature, Nat. Chem.，Nat. Commun., Joule，Materials Today, J. Am. Chem. Soc., ACS Nano 等国际著名学术期刊上发表论文50余篇，他引超过5000次，H-因子为38, 相关研究成果多次被 Science Daily, Science News, Phys.org, 福布斯等新闻媒体报道。担任10余个国际主要学术期刊审稿人。申请中国、加拿大和日本发明专利20余项，其中13项已经授权。

课题组介绍

研究方向主要有高性能催化材料及器件以及机理研究等，具体包括了：

1. 高性能催化材料的制备和器件开发（包括CO2RR，NRR，水电解，ORR，光催化，单原子催化等等）

2. 理论计算研究反应机理, 并指导新材料开发

3. 原位同步辐射-光谱-电化学表征

课题组网站：

https://minliugroup.wixsite.com/minliu

课题组招聘

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