谷猛/李辉/徐虎/曾林教授EES：酸性介质中利用富缺陷超薄氧化钌纳米片促进析氧反应- 大数跨境

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谷猛/李辉/徐虎/曾林教授EES：酸性介质中利用富缺陷超薄氧化钌纳米片促进析氧反应

科学材料站

2020-11-28

导读：该工作通过简单的熔盐方法制备了超薄二氧化钌纳米片。所制备的二氧化钌纳米结构具有厚度为1-2 nm的大量缺陷

文章信息

酸性介质中利用富缺陷超薄氧化钌纳米片促进析氧反应

第一作者：Z. L. Zhao，Q. Wang ，X. Huang

通讯作者：谷猛*，李辉*，徐虎*，曾林*

单位：南方科技大学

研究背景

氢气因其清洁高效的优点被认为是最有前途的能源载体。值得注意的是，通过使用可再生能源的电化学水分解产生的氢气是最有吸引力和最有效的方法。与传统的碱性水电解槽相比，质子交换膜水电解槽能够在更高的电流密度、更低的欧姆损耗以及更紧凑的系统设计下运行。

此外，更快的系统响应和对动态运行条件的高稳定性也具有很大的优势。然而，质子交换膜燃料电池的商业化在很大程度上受到现有OER电催化剂阳极析氧反应(OER)的缓慢反应动力学的阻碍。

此外，由于水分解反应中质子交换膜燃料电池的局部酸性环境，大多数现有的OER电催化剂(过渡金属氧化物、氢氧化物、层状双氢氧化物等。在如此恶劣的环境下表现出有限的稳定性。在酸性介质中开发高活性、高性价比和稳定的OER催化剂对质子交换膜燃料电池的实际应用至关重要。

文章简介

近日，南方科技大学谷猛，李辉，徐虎，曾林教授Energy & Environmental Science上发表题为“Boosting Oxygen Evolution Reaction Using Defect-rich Ultra-Thin Ruthenium Oxide Nanosheets in Acidic Media”的研究工作。

该工作通过简单的熔盐方法制备了超薄二氧化钌纳米片。所制备的二氧化钌纳米结构具有厚度为1-2 nm的大量缺陷。在OER，二氧化钌纳米线在10mAh/cm-2的电流密度和125mg/cm-2的负载下实现了199 mV的极低超电势。此外，二氧化钌纳米粒子显示出二氧化钌纳米粒子的比活性和质量活性在1.46 V时分别是二氧化钌纳米粒子的14.9倍和80.6倍。

在自制的质子交换膜燃料电池中，在电池电压为1.65 V且没有iR降校正的情况下，二氧化钌NSs电极的电流密度达到0.93A·cm-2，是商用二氧化钌催化剂(0.31A·cm-2)的3倍。

密度泛函理论计算表明，氧化钌纳米结构表面的钌空位显著削弱了氧原子相对于羟基氧原子的结合能，从而降低了氧原子向羟基氧原子转化的能量消耗，从而显著提高了OER性能。独特的富缺陷结构和优异的性能表明二氧化钌纳米结构具有发展高性能质子交换膜燃料电池的巨大潜力。

本文要点

要点一：该工作发展了一种简单的熔盐方法来制备具有丰富多尺度缺陷的超薄二氧化钌纳米结构。对于OER，与在230mV的超电势下的商业二氧化钌纳米粒子相比，所制备的富含缺陷的纳米片催化剂的比活性和质量活性分别增加了14.9倍和80.6倍。

要点二：同时，密度泛函理论计算表明催化剂表面的钌空位显著降低了氧向羟基转化的能量消耗，从而提高了OER活性。

要点三：因此，实验结果和理论计算都表明，超薄RuO2 NSs催化剂是一种很有前途的酸性水分解替代电催化剂，以红外基催化剂的一小部分成本获得优异的电池性能和优异的稳定性。

文章链接

Boosting Oxygen Evolution Reaction Using Defect-rich Ultra-Thin Ruthenium Oxide Nanosheets in Acidic Media

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01960g#!divAbstract

通讯作者介绍

谷猛，副教授（研究员）

谷教授主要从事能源材料科学研究，研究领域包括基于原位透射电镜研究电池、高性能全固态电池的合成和机理分析、原位透射电镜研究催化剂等几个方面。谷教授在国际知名学术期刊上发表英文论文140余篇(SCI收录100篇)，文章多发表在Energy & Environmental Science, Nature Communications，Nano Letters，ACS Nano，Advanced Materials，Angewandte chemie international edition，Physical Review Letters，Nano Energy等知名杂志，取得多项国际同行高度认可的标志性科研成果。Google Scholar引用8400余次，其中ESI他引统计近5000次，ESI高被引论文共9篇，ESI他引超过100次的有17篇。特别是加入南方科技大学后，取得多项突破性研究进展，发表文章50余篇，提交专利申请8项，并指导南科大本科生在Applied Catalysis B, Catalysis Science & Technology等著名杂志发表一作文章，并入选期刊封面和获得UCLA博士全额奖学金。谷猛教授于2015年，获得美国电镜学会重要奖项Albert Crewe Award, 该奖项每年仅一人获奖，用于表彰谷教授在能源表征方面的创新突破。2019年谷教授被授予深圳市青年科技奖，用来表彰其在研发新能源材料领域的突出贡献。

https://www.sustech.edu.cn/zh/gumeng.html

李辉教授，清华大学化学工程学士和硕士，加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)电化学工程博士，深圳市“孔雀计划”A类人才。

2007年加入加拿大国家研究院燃料电池创新研究所，先后担任多项重要国家研究项目及国际合作项目的技术负责人，在氢气质子交换膜燃料电池的设计、诊断和耐久性研究方面进行了深入的开拓性的研究，赢得了燃料电池国际专家的荣誉，曾经多次被同行国际专家邀请为他们的著作撰写章节。前国际标委会ISO/WG14成员，参与国际质子交换膜燃料电池标准制定。2015年10月加入南方科技大学，以第一作者或通讯作者身份发表包括1篇Chemical Reviews，1篇Progress in Materials Science，1篇ACS Energy Letters ，2篇Applied Catalysis B: Environmental，10篇Journal of Power Sources在内的50多篇国外核心期刊高水平研究论文，总被引次数超过3000次。主编相关专著4部，撰写书籍章节共8章，授权国际专利4项。近5年承担国家科研项目1项，共计440万元；深圳市科创委项目2项，共计1300万元，并担任“深圳市氢能重点实验室”主任。目前教授课程包括《现代材料科学与前沿1》、《电化学能量转换与储存》。

https://www.sustech.edu.cn/zh/lihui.html

徐虎，教授。

2008.07至2009.12，香港城市大学，研究助理；2010.03至2011.07，香港城市大学，高级研究助理；2011.08至2018.01，南方科技大学，副教授；2018.02至2020.09，南方科技大学，长聘副教授；2020.10至今，南方科技大学，教授。研究方向：功能材料的表面结构及催化机理研究，拓扑及二维材料的第一性原理计算。

https://www.sustech.edu.cn/zh/english-xu-hu.html

曾林，副教授。

研究领域：电化学储能与能源转换系统。研究领域包括燃料电池关键材料研发，新型电化学储能器件以及界面电化学物质传递机理。共同主持一项香港科技创新署项目。共发表SCI论文50余篇，申请美国专利和中国专利各一项。教育经历：2004 - 2008，学士，哈尔滨工业大学理学院，电化学工程；2008 - 2010，硕士，哈尔滨工业大学化工与化学学院应用化学系，电化学工程；2010 - 2014，博士，香港科技大学机械及航空航天工程系，机械工程-纳米科技方向。

https://www.sustech.edu.cn/zh/zenglin.html