通讯作者：吴忠帅*
单位：中国科学院大连化学物理研究所
开发高效耐用的析氧（OER）电催化剂是电催化分解水和燃料电池的关键。RuO2是最具代表性的OER催化剂之一。例如，Mn掺杂的RuO2催化剂在酸性电解质中OER电流密度为10 mA cm-2时的过电势为158 mV，是迄今为止报道的酸性电解质中的最低值。
然而，尽管付出了巨大的努力，但RuO2在碱性电解质中没有显示出优越的OER活性，在10 mA cm-2下的过电势为240 mV，远远落后于最佳的碱性OER催化剂（10 mA cm−2时约为190 mV）。因此，迫切需要开发有效的调控略策以同时提升RuO2在酸性和碱性溶液中的电催化析氧活性。
近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室吴忠帅研究员课题组在国际知名期刊Nano Energy(影响因子：16.602)上发表题为“2D Intrinsically Defective RuO2/Graphene Heterostructures as All-pH Efficient Oxygen Evolving Electrocatalysts with Unprecedented Activity”的研究工作。
该工作提出利用氧化石墨烯的氧团簇限域氧化Ru前驱体，制备出具有本征氧缺位的RuO2与石墨烯的二维异质结高效催化剂（D-RuO2/G）。由于氧化石墨烯与Ru前驱体的强配位作用，该二维结构具有9 nm的超薄厚度、125 m2 g-1的高比表面积和4欧姆级别的低电阻，并且同步辐射研究表明该催化剂具有本征的RuO5氧缺位结构。当电流密度为10 mA cm-2时，该催化剂在酸性和碱性电解液中过电位仅为169 mV和175 mV，在270 mV时的水氧化转换频率分别为1.07和1.25 S-1，在酸性和碱性电解质在10 mA cm-2时的总过电势为344 mV，是目前报道的最优越的全pH析氧电催化剂。
同时，结合理论计算，发现本征的氧缺位RuO5结构能够增强羟基的吸附并加速羟基的分解，进而显著提升酸性和碱性电解液中的析氧活性。因此，该工作为二维催化剂缺陷结构和电子调控以及全pH析氧电催化剂的设计提供了新方案。
要点一：2D D-RuO2/G表现为超薄二维形貌、介孔结构且比表面积为125 m2·g -1
（a）2D D-RuO2/G异质结催化剂的制备和原子结构示意图。绿色，红色，灰色和浅色球体分别表示Ru，O，C和H原子。
（b）2DD-RuO2/G的（b）SEM，（c，d）TEM和（e）HRTEM图。
（f）2D D-RuO2/G的STEM图像以及Ru，O和C的元素分布图。
要点二：2D-RuO2/G具有本征的氧不饱和Ru位点
（a，b）2D D-RuO2/G，2D-RuO2和Ru箔在Ru K带边的XANES光谱和FT-EXAFS光谱。
（c）2D D-RuO2/G和2D-RuO2的Ru 3p谱图。
（d，e）2D D-RuO2/G和2D-RuO2的O 1s谱图分析。
（f）2D D-RuO2/G和2D-RuO2中不同氧物种的比例图。
要点三：2D D-RuO2/G在酸性电解液中的OER性能
（b）在0.5 M H2SO4电解液中2D D-RuO2/G和2D-RuO2的OER极化曲线。
（c）2D D-RuO2/G与先前报道的酸性电解质中优异的OER催化剂的性能对比。
（d）在0.5 M H2SO4电解液中的2D D-RuO2/G和2D-RuO2的Tafel图。
（e）2D-RuO2/G与最近报道的酸性电解质中的OER催化剂的TOF性能对比。
（f）2000次CV循环之前和之后的2D D-RuO2/G的OER极化曲线比较。
要点四：2D D-RuO2/G在碱性电解液中的OER性能
（b）在1 M KOH电解液中2D D-RuO2/G和2D-RuO2的OER极化曲线。
（c）2D D-RuO2/G与先前报道的碱性电解质中优异的OER催化剂的性能对比。
（d）在1 M KOH电解液中的2D D-RuO2/G和2D-RuO2的Tafel图。
（e）2D-RuO2/G与最近报道的碱性电解质中的OER催化剂的TOF性能对比。
（f）2000次CV循环之前和之后的2D D-RuO2/G的OER极化曲线比较。
要点五：具有氧缺位的Ru位点可以增强RuO2在碱性电解液中的OER活性
（d）有缺陷的RuO2（110）表面的侧视图（e）Ru1位点上OER的反应自由能。 绿色，红色和浅色球体分别显示Ru，O和H原子。
在本工作中，作者开发了一种限域氧化的策略，使用富氧的单层氧化石墨烯作为2D载体并利用有限的氧基团对Ru3+前驱体进行氧化，进而形成超薄的具有氧缺位的RuO2纳米晶/石墨烯2D异质结（2D D-RuO2/G）催化剂。由于具有超薄厚度，多孔结构，高比表面积，不饱和的Ru-O5配位和丰富的表面羟基等特点，该二维异质结材料是一种具有高活性和稳定性的全pH值OER催化剂。
因此，在H2SO4溶液和KOH溶液中，2D D-RuO2/G在电流密度为10 mA cm-2的过电势为169和175 mV，在1.5 V时TOF为1.07和1.25 S-1。DFT计算表明，RuO2（110）表面的桥位氧空位可以显着增强顶部Ru位点上氧物种的吸附和氢离解，从而将能垒从0.77 eV降低到0.58 eV。因此，该工作为二维催化剂缺陷结构和电子调控以及全pH析氧电催化剂的设计提供了新方案。
文章链接:
2D intrinsically defective RuO2/Graphene heterostructures as All-pH efficient oxygen evolving electrocatalysts with unprecedented activity
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307631
吴忠帅，中科院大连化物所首席研究员、催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508）组长、博士生导师、中组部引进海外高层次人才、英国皇家化学会会士、2018和2019年科睿唯安全球高被引科学家。主要从事石墨烯和二维材料化学及微纳电化学能源创新系统研究，包括柔性化微型储能器件、超级电容器、高比能电池（锂离子/锂硫/固态电池）、钠/钾/铝电池及能源催化研究。已在Energy Environ. Sci.（3篇）、Adv. Mater（12篇）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Nat. Commun (2篇)、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Adv. Energy Mater（4篇）、Energy Storage Mater.（13篇）、ACS Nano（15篇）、Adv. Funct. Mater（7篇）、Nano Energy（6篇）、Natl Sci. Rev.（2篇）等国际权威杂志发表论文140余篇，其中IF＞10的文章88篇，已被SCI引用21000余次，ESI高被引论文26篇。承担科技部、中组部、基金委、中科院、企业等20余个科研项目。获国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、Energy Storage Materials青年科学家、中科院“百人计划”终期评估优秀等奖励和荣誉；担任Appl. Surf. Sci.编辑、J. Energy Chem.执行编委、Energy Storage Mater.编委和客座编辑、Adv. Mater.客座编辑等多项学术任职。
课题组网页：www.zswu.dicp.ac.cn
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307631#!
李亚光于2010年获得燕山大学材料科学与工程学士学位，并获得博士学位。2015年在浙江大学材料物理与化学专业获得博士学位。之后，他加入河北大学物理科学与技术学院，目前是副研究员。 自2018年以来，李博士在中国科学院大连化学物理研究所（DICP）担任博士后研究员。迄今为止，在Nat. Commun.、Nano Energy、Adv. Sci.等SCI国际知名期刊发表学术论文32篇，目前，李博士的研究兴趣包括基于石墨烯的新型2D材料和相关异质结构的合成，光热催化和电催化。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307631#!
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