康涅狄格大学Steven L. Suib教授、西湖大学文燎勇研究员合作EES 助力氢能源新型催化剂- 大数跨境

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康涅狄格大学Steven L. Suib教授、西湖大学文燎勇研究员合作EES 助力氢能源新型催化剂

科学材料站

2021-08-26

导读：该研究工作设计和制备了一种新型、高性价比HER电催化剂用于全pH电解水产氢。

文章信息

部分还原Ru/RuO2复合材料应用于高活性、全pH通用电催化产氢

第一作者：党彦柳

通讯作者：Steven L. Suib*，文燎勇*

单位：康涅狄格大学，西湖大学

研究背景

长期以来人类社会对化石能源的依赖造成了能源枯竭和生态环境的破坏。为了缓解能源危机，早日实现碳达峰、碳中和，促进人类社会的可持续发展，对清洁可再生能源利用的探索势在必行。

氢气因其具有最高的质量能量密度 (120 MJ Kg-1)，且可以方便地存储、运输和有效供给，被认为是最有前途的清洁能源之一。利用可再生太阳能和风能资源进行电解水制氢是绿色无碳制氢的主要趋势。

铂(Pt)是众所周知的水分解析氢反应（HER）催化剂，但高成本以及其在非酸性介质中的不理想性能限制了Pt大规模商业化应用。因此，迫切需要开发低成本、长期稳定的高效HER电催化剂。

文章简介

基于此，美国康涅狄格大学Steven L. Suib教授与西湖大学文燎勇研究员合作，在国际期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Partially Reduced Ru/RuO2 Composites as Efficient and pH-Universal Electrocatalysts for Hydrogen Evolution”的文章。

该研究工作设计和制备了一种新型、高性价比HER电催化剂用于全pH电解水产氢。该催化剂不仅在大电流（1Acm-2）下展现了高催化活性以及超过300小时的稳定性，并在电解海水中展现出了明显优于商业Pt/C的产氢性能。

本文要点

要点一：密度泛函理论计算设计新型HER催化剂

通过密度泛函理论（DFT）计算发现，Ru/RuO2界面不仅具有较强的吸附和解离水的能力，而且具有合适的H和OH结合能，使其能够在非酸性条件下实现较高的HER活性。因此，制备出所需的Ru/RuO2复合物成为开发新型HER电催化剂的关键。

原文图 1. (a) Ru/RuO2 在析氢反应不同阶段的表面构型。(b) 用于计算的四种不同催化剂表面构型（Ru/RuO2、Pt、Ru 和 RuO2）。(c)四种不同催化剂表面H2O、H 和 OH 结合能的理论计算。金色、灰色、红色和粉色球分别代表铂、钌、氧和氢原子。

要点二：Ru/RuO2界面的设计合成

作者通过调研发现RuO2在还原电位下可以还原为低价氧化物或者金属。但目前文献对于其具体的还原过程和还原产物还存在较大争议。

本文首次以RuO2为出发点，通过完善的实验设计验证发现: 电化学还原RuO2与其本身的结构具有很强的关联，无定形RuO2可以在还原电位下失去电子被部分还原为金属Ru，然而结晶态的RuO2结构稳定不易被还原。

另外，研究发现前驱体在缺氧环境下煅烧可以使其失去结构中的部分氧，从而转变为金属Ru。因此，作者通过简单的电化学和热化学两种方法设计合成了可控的 Ru/RuO2界面。

要点三：Ru/RuO2在水分解的应用

实验结果显示，在小电流密度（10-100 mA cm-2）和大电流密度（1 A cm-2）下，所形成的Ru/RuO2界面的HER活性（在1 M KOH中，如η10=17 mV，35 mV dec-1）均优于Pt（在1 M KOH中，η10=27 mV，58 mV dec-1）。

此外，由于RuO2的双功能特性，基于Ru/RuO2复合材料和RuO2的双电极体系分别在1 M KOH和0.5 M H2SO4中表现出最佳的水分解电池电压。300 h的水电解试验表明，Ru/RuO2复合材料具有极好的稳定性和生产绿色能源的工业前景。

原文图 5. (a, b) 电解槽 RuO2-300Ar//RuO2-300Air 的整体水分解：在 0.5 M H2SO4 和 1 M KOH 溶液中的极化曲线 (a) 和10 mA cm-2 下1 M KOH中的长期稳定性测试 (b) 。(c) 使用 RuO2-300Ar 和 Pt/C 电极在没有 iR 补偿的海水中获得的多电流计时电位曲线。(d) 电解槽 RuO2-300Ar//RuO2-300Air在海水中的整体水分解极化曲线。(e) RuO2-300Ar//RuO2-300Air 的两电极装置，用于海水的整体水分解。

要点四：前瞻

目前工业水电解主要有酸性Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC)和碱性Anion exchange membrane fuel cells (AEMFC)。

本文的Ru/RuO2双电极体系在酸性和碱性条件下均展现出优于商业电极的水电解能力和长期稳定性。且催化剂的合成方法简单、绿色环保，具有很好的商业应用前景，为未来清洁可再生能源的普及提供了良好的研究基础。

文章链接

Yanliu Dang, et al, Partially Reduced Ru/RuO2 Composites as Efficient and pH-Universal Electrocatalysts for Hydrogen Evolution, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE02380B

https://doi.org/10.1039/D1EE02380B

通讯作者介绍

Steven L. Suib 教授。

Steven L. Suib在伊利诺伊大学香槟分校的Galen D. Stucky教授指导下完成博士学位。随后在Larry R. Faulkner的课题组进行博士后研究。于1980年加入康涅狄格大学化学系，目前是董事会的杰出教授和材料科学研究所的主任。长期从事催化材料的研究和开发。以通讯作者身份在Science, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., 等学术刊物上发表论文百余篇，被引用42400 余次，H因子107。

文燎勇研究员。

文燎勇在德国伊尔姆瑙工业大学Yong Lei教授指导下于2016年获博士学位；随后在美国康涅狄格大学Pu-xian Gao教授课题组进行博士后研究。于2019年9月作为特聘研究员（PI／博导）加入西湖大学工学院，开展跨尺度/材料3D仿生制造技术及其在光电、传感和新能源中的基础及应用研究。以第一和通讯作者身份（含共同）在Nat. Nanotechnol., Energy Environ. Sci.，Nano Lett., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Fun. Mater., 等国际著名期刊发表论文多篇。发表论文的总引用次数超过2200次，H指数为25。

第一作者介绍

党彦柳博士。

党彦柳于2015年在北京理工大学化工学院获得硕士学位， 2016年加入美国康涅大学Steven L. Suib教授课题组，并于2021年获得材料学博士学位。博士期间从事3D催化结构材料的设计、结构表征以及性能研究。目前在普渡大学电子与计算机工程学院开展博士后研究工作。