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武漢理工大學余軍、木士春Applied Catalysis B突破性發(fā)現(xiàn)!RuTe2異相結自生電場催生秒級析氫反應新紀元
來源:木士春教授研究團隊 個人網(wǎng)站 發(fā)布日期:2025-05-02

材料研究前沿 2025年04月26日 19:53陜西 

在能源轉型與可持續(xù)發(fā)展的大背景下,氫能因其高能量密度與環(huán)境友好性,被視為未來能源體系的關鍵組成部分。電解水作為獲取綠氫的重要技術途徑,其核心在于高效的氫進化反應(HER)催化劑。當前,鉑(Pt)基催化劑雖性能卓越,但高昂的成本與稀缺性嚴重制約了氫能源的大規(guī)模應用。因此,開發(fā)低成本、高性能的非鉑催化劑成為科研領域的迫切任務。

 

     在這一關鍵領域,武漢理工大學的科研團隊取得了突破性進展。他們創(chuàng)新性地構建了一種由正交晶系和立方晶系釕碲化合物(RuTe2)組成的異質同質結結構(記為m-RuTe2。這一獨特設計利用兩相間的工作函數(shù)差異,成功誘導形成了內(nèi)建電場。該內(nèi)建電場不僅驅動了電子轉移與電荷重新分布,更優(yōu)化了催化劑對活性中間體的吸附行為,從而顯著提升了HER催化活性。實驗結果顯示,m-RuTe2在實現(xiàn)10 mA cm-2電流密度時,僅需35 mV的過電位,這一性能不僅超越了單相RuTe2(正交晶系RuTe2需62.3 mV,立方晶系RuTe2需164.3 mV),更在堿性條件下優(yōu)于商業(yè)鉑催化劑。

這種卓越的催化性能源于內(nèi)建電場對電子結構的調控。DFT理論計算揭示,正交晶系與立方晶系RuTe?間顯著的工作函數(shù)差異,使得電子從正交晶系向立方晶系轉移,形成了有利于電荷平衡的電荷分布。這種電荷轉移與重新分布,使得m-RuTe2的d帶中心位置介于兩種單相RuTe2之間,從而實現(xiàn)了對氫吸附能力的優(yōu)化。與過強吸附的正交晶系和過弱吸附的立方晶系相比,m-RuTe2展現(xiàn)出了適中的氫吸附能力,極大降低了水解離的能壘,使氫吸附自由能(ΔGH*)更接近0 eV,為高效的HER催化反應創(chuàng)造了理想條件。

除了突出的催化活性,m-RuTe2還展現(xiàn)出令人印象深刻的穩(wěn)定性。實驗表明,在經(jīng)過20小時的連續(xù)催化反應后,m-RuTe2的電流密度保持率高達91%。即使在經(jīng)歷2000次加速穩(wěn)定性測試循環(huán)后,其過電位僅增加了2 mV,遠低于單相RuTe2。這種穩(wěn)定性優(yōu)勢可歸因于異質同質結結構中Ru與Te之間的強耦合效應,這種效應有效抑制了Ru活性位點的溶解,確保了催化劑在長時間運行中的結構完整性。不僅如此,m-RuTe2在整體水分解反應中同樣表現(xiàn)出色。在與商業(yè)RuO2組成的電解水系統(tǒng)中,m-RuTe2//RuO2組合在2.28 V的電壓下即可達到1000 mA cm-2的電流密度,優(yōu)于商業(yè)Pt/C//RuO2所需的2.36 V。并且在100小時的穩(wěn)定性測試中,電流密度保持率達到了81%,接近100%的法拉第效率,顯示出接近理論最大值的卓越性能。

 武漢理工大學團隊通過巧妙設計RuTe2異質同質結結構,成功開發(fā)出一種兼具高活性與高穩(wěn)定性的新型HER催化劑。這一成果不僅為非鉑催化劑的設計與開發(fā)提供了全新的思路,更為未來電解水制氫的大規(guī)模應用鋪就了一條極具潛力的創(chuàng)新之路??梢灶A見,這種基于內(nèi)建電場調控的異質同質結策略,將在更廣泛的能源轉換與存儲領域引發(fā)深入的探索與研究。

文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125409

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