哈尔滨工业大学徐成彦教授团队Angew：WC基底调RuO2电子结构，并有效降低贵金属负载量，提升酸性OER/HER，全分解水性能- 大数跨境

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哈尔滨工业大学徐成彦教授团队Angew：WC基底调RuO2电子结构，并有效降低贵金属负载量，提升酸性OER/HER，全分解水性能

科学材料站

2022-03-13

导读：本文报道了锚定在碳纳米片上的 WC 负载的 RuO2 纳米颗粒 (RuO2-WC NPs)的0/2D纳米复合结构。

文章信息

WC基底调RuO₂电子结构，并有效降低贵金属负载量，提升酸性OER/HER，全分解水性能

第一作者：孙书超

通讯作者：徐成彦*，宋波*，甄良*

单位：哈尔滨工业大学，哈尔滨工业大学(深圳)

研究背景

氢能具有极高的能量密度是传统化石燃料的2.7倍，转化产物只有水，是最具潜力替代化石燃料的清洁能源。大力发展氢能，将有助力实现碳达峰、碳中和，早日实现碳的零排放。电解水制氢是目前最为有效、可靠、环保的产氢方式。其中质子交换膜(PEM)电解槽是高效的电解水装置，具有比传统碱性介质电解槽更高的电压效率、更大的电流密度和更低的电解液电阻等优点，因此被认为是有前景的制氢技术。

但是，其对电极酸性OER过程涉及复杂的四电子反应过程，导致反应动力学缓慢且过电位大，同时强酸性、强氧化的环境极易容易腐蚀催化剂，影响稳定性。因此，急需开发新的长效酸性OER电催化剂，从而进一步提升酸性体系分解水产氢的应用前景.

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文章简介

基于此，哈尔滨工业大学徐成彦教授团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Bifunctional WC-Supported RuO₂ Nanoparticles for Robust Water Splitting in Acidic Media”的观点文章。

本文报道了锚定在碳纳米片上的 WC 负载的 RuO₂ 纳米颗粒 (RuO₂-WC NPs)的0/2D纳米复合结构。该催化剂具有强的催化剂-基底相互作用。此外，较低的贵金属Ru (4.11 wt.%)负载量展现了很强的酸性OER活性，电流密度达到10 mA cm^-² 时的过电位仅为347 mV。同时，其质量活性为 1430 A gRu^-1，比商业 RuO₂(176 A gRu^-1) 高 8 倍。

理论计算表明，RuO₂和WC基底之间的强催化剂-基底相互作用，WC作为稳定的催化基底可以优化Ru位点周围的电子结构，从而降低活性位点与反应中间配体的吸附能。同时，该催化剂具有同样优异的析氢催化能力，由RuO₂-WC NPs 双功能电催化剂构建的酸性PEM全分解水电解槽在10 mA cm^-² 的电流密度下的电解池电压为1.66 V，同时展现了良好的稳定性。独特的 0D/2D 纳米结构将 WC 基底与贵金属氧化物合理结合，为应用于酸性 OWS的高活性和低成本催化剂的设计提供了一种有前景的策略。

图1. 由第一性原理计算得出的 RuO₂-WC 界面的优化结构

图2. RuO₂-WC NPs的合成和微观结构表征

图3. RuO₂-WC NPs及对比样品的 XRD 图和 XPS光谱

图4. RuO₂-WC NPs 在 0.5 M H₂SO₄ 中的酸性 OER 电化学性能测试

图 5. RuO₂-WC NPs 上 OER 四电子过程及反应中间体的吉布斯自由能

图 6. 在 0.5 M H₂SO₄ 中的HER 和全分解水性能

综上所述，本文首次将稳定的WC 基底与贵金属氧化物 RuO₂结合，并将其作为双功能电催化剂应用在酸性全分解水电解槽。优异的 OER 性能可归因于 RuO₂ 和 WC 基底之间的催化剂-基底相互作用。它优化了Ru活性位点的周围电子结构，使其具有良好的OER中间体吸附能，从而降低了RDS的反应势垒。

同时，WC基底为催化剂表面贡献了更多的电子，以保护Ru活性位点在酸性OER过程中免受过度氧化。值得注意的是，WC基底可以减少RuO₂的添加量，使其Ru利用率高于商业RuO₂和其他Ru基电催化剂。基于优异的 OER 和 HER 性能，由双功能RuO₂-WC NPs (4.11 wt.%) 构建的 PEM 电解槽在10 mA cm^-2的电流密度下，电解槽电压仅为1.66V即可产生氢气。这些结果表明WC是贵金属氧化物的合适基底，可用于权衡弱催化活性和高贵金属成本，并为推动酸性水分解的实际应用提供了创新指导。

本文要点

要点一：WC基底调控RuO₂电子结构

RuO₂ 和 WC 基底之间具有很强的催化剂-基底相互作用。它优化了Ru活性位点的周围电子结构，使其具有良好的OER中间体吸附能，从而降低了反应过程中控速步骤的反应势垒，提高活性位点的催化活性。

要点二：基底调控抑制RuO₂在酸性OER过程中发生氧化

由于WC与RuO₂直接具有很强的催化剂-基底相互作用，促进WC基底为催化剂表面贡献了更多的电子，以保护Ru活性位点在酸性OER过程中免受过度氧化，从而提高催化剂在酸性OER中的稳定性，进而提升催化能力。

文章链接

Bifunctional WC-Supported RuO₂ Nanoparticles for Robust Water Splitting
in Acidic Media

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202202519

通讯作者简介

甄良博士教授

工学博士，哈尔滨工业大学材料学院教授，在Nat. Comm.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Acta Mater. 等在内的国际学术刊物上发表SCI收录论文300余篇，SCI引用7100余次，H因子为49。申请国家发明专利36项。先后主持国防973、国家863、国家自然科学基金（重点/面上）、总装备部预研项目等省部级项目，2012年获黑龙江省自然科学一等奖(排名第1)。

宋波博士教授

理学博士，哈尔滨工业大学航天学院教授，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。近年来课题组主要从事非贵金属电催化剂的制备及性能改良，第三代半导体材料的生长与物性，以及钙钛矿氧化物薄膜光电性质等方面的研究。近五年在期刊Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem.，Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy. Mater., ACS Energy Lett.，Light: Science & Applications 等期刊上发表研究性论文30余篇。

徐成彦博士教授博导

工学博士，哈尔滨工业大学材料学院教授、博士生导师，国家“万人计划”青年拔尖人才计划，深圳市鹏城学者特聘教授。主要研究方向为：二维半导体材料的合成及其在电学、光电、能源和生物医学域的应用。在包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Energy Enivron. Sci., Nano Energy, Adv. Sci., Small等在内的国内外期刊发表SCI收录论文150余篇。