【催化】亚纳米尺度RuO2皮肤修饰的Ru基核壳结构助力pH普适电解水- 大数跨境

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2023-01-27

导读：中国科学技术大学章根强教授团队通过将具有HER活性的Ru基微米片进行低温氧化，在Ru纳米团簇表面成功包覆了一层富含氧空位的亚纳米尺度RuO2皮肤，从而在广泛pH范围内实现电解水性能提升。

电解水因能够将可再生电能消纳为氢能而备受关注。然而，Ir/Ru基阳极催化剂稳定性差等弊端使绿氢制备之路方兴未艾。近日，中国科学技术大学章根强教授团队通过将具有HER活性的Ru基微米片进行低温氧化，在Ru纳米团簇表面成功包覆了一层富含氧空位的亚纳米尺度RuO₂皮肤，从而在广泛pH范围内实现电解水性能提升。

氧析出（OER）和氢析出（HER）催化剂是电解槽中的关键材料，决定了绿氢的经济性。尽管3d周期过渡金属氧化物（氢氧化物），金属有机框架化合物（MOF）等材料OER性能优异，并且储量丰富，但其在酸性中极其不稳定。另外，Pt基催化剂的碱性HER性能要比酸性中低2-3个数量级。这导致电解槽中性能最佳的阴阳极催化剂工作条件不匹配，因此亟需发展具有pH普适活性的材料。

中国科学技术大学团队设计的亚纳米尺度RuO₂皮肤修饰的Ru基核壳结构为广泛pH条件下电解水制氢提供了一种极具前景的材料。众所周知，金属钌在电解水产氢领域备受关注，主要在于其具有适宜的氢结合能，优异的稳定性和抗腐蚀性能以及高性价比等优势。进一步，将钌修饰一层外壳，构建核壳结构能够赋予材料产氧活性（OER）。如将Ru包覆一层IrO_x皮肤，可对Ru核施加压应力，从而调控整体电荷行为，增强材料OER活性。但是，核壳结构诱发的界面电荷分布和应力作用具有短程有效性，说明构建具有几个原子层的亚纳米尺度皮肤必不可少。针对此，该团队首先在室温下快速制备富含Ru³⁺的三聚氰胺分子晶体。随后在Ar气氛中退火，富含Ru³⁺的三聚氰胺前驱体会生成Ru纳米团簇均匀分布的碳基微米片——Ru/C HMS。接下来的低温（200 ℃）氧化过程能够在Ru纳米团簇表层可控覆盖仅有几个原子层的RuO₂皮肤，并且富含氧空位，同时该微米片整体结构得到很好保持（Ru@V-RuO₂/C HMS）。

图1. Ru@V-RuO₂/C HMS的合成过程，形貌和微结构分析。

该Ru@V-RuO₂/C HMS核壳结构在酸性和碱性溶液中均表现出优异的OER（176/201 mV@10 mA cm^-2）和HER（47/6 mV@10 mA cm^-2）活性以及循环稳定性。密度泛函理论计算表明，Ru@V-RuO₂对氢中间体的吸附行为相比Ru（-0.31 eV）更接近中性（0.12 eV）；同时能够减弱对氧中间体（*O）的吸附而加速氧析出活性，从而在全解水方面展现出广阔前景。

图2. Ru@V-RuO₂/C HMS的OER和HER性能评估。

图3. Ru@V-RuO₂用于HER和OER的理论分析。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中国科学技术大学李亚鹏博士和贵州师范学院王文涛教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Arming Ru with Oxygen Vacancy Enriched RuO₂ Sub-nanometer Skin Activates Superior Bifunctionality for pH-Universal Overall Water Splitting

Yapeng Li⁺, Wentao Wang⁺, Mingyu Cheng, Yafei Feng, Xiao Han, Qizhu Qian, Yin Zhu, Genqiang Zhang*

Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202206351

通讯作者简介

章根强教授，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位，2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究，2011年-2014年在新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究，2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究。2016年加入中国科学技术大学，建立能源纳米材料实验室。研究领域是面向先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过1000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat 期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。

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