ZEmilia MS楊站長 2024-05-12 21:48 廣東
第一作者：Ding Chen, Ruohan Yu, Kesong Yu, Ruihu Lu
通訊作者：木士春通訊單位：武漢理工大學(xué)
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本文提出了一種由多尺度缺陷RuO2納米單體（MD-RuO2-BN）組成的雙連續(xù)納米反應(yīng)器，用于提高釕（Ru）基催化劑在酸性環(huán)境中的活性和穩(wěn)定性，以期替代更昂貴的銥（Ir）基材料作為質(zhì)子交換膜水電解器（PEMWEs）的陽極催化劑。通過三維斷層掃描重建技術(shù)確認(rèn)了這種獨(dú)特的雙連續(xù)納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了豐富的活性位點和通過腔體限制效應(yīng)實現(xiàn)的快速傳質(zhì)能力。此外，現(xiàn)有的空位和晶界賦予了MD-RuO2-BN豐富的低配位Ru原子和減弱的Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解。因此，在酸性介質(zhì)中，MD-RuO2-BN實現(xiàn)了超高水氧化活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和超低降解速率1.2 mV h-1。使用MD-RuO2-BN作為陽極的自制PEMWE也展現(xiàn)了高水分解性能（1.64 V @ 1 A cm-2）。理論計算和原位拉曼光譜進(jìn)一步揭示了MD-RuO2-BN的電子結(jié)構(gòu)和水氧化過程的機(jī)制，合理化了通過多尺度缺陷和保護(hù)活性Ru位點的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)的性能。
圖文導(dǎo)讀
圖1：MD-RuO2-BN的制備和催化過程，以及通過雙球差校正掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）觀察到的催化劑微觀結(jié)構(gòu)。
圖2：三維斷層掃描重建技術(shù)展示了MD-RuO2-BN的形貌，揭示了由超細(xì)RuO2納米單體和內(nèi)部孔隙組成的獨(dú)特的雙連續(xù)納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。
圖3：MD-RuO2-BN在原子尺度的觀察，包括STEM圖像、XPS光譜、EPR光譜、XANES和EXAFS光譜，以及通過小波變換（WT）驗證的EXAFS光譜分析結(jié)果。
圖4：MD-RuO2-BN的OER活性測試結(jié)果，包括極化曲線、Tafel曲線、Nyquist圖和穩(wěn)定性測試。
圖5：通過DFT計算和原位拉曼光譜對MD-RuO2-BN增強(qiáng)活性和穩(wěn)定性的機(jī)理分析。
總結(jié)展望
本文通過將具有豐富Ru/O空位和內(nèi)外晶界的RuO2納米單體組裝成雙連續(xù)納米反應(yīng)器，實現(xiàn)了RuO2的電子和微觀結(jié)構(gòu)的同步優(yōu)化。Ru的氧化態(tài)降低和Ru-O鍵的延長減弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解，從而增強(qiáng)了RuO2的耐久性。同時，豐富的反應(yīng)區(qū)域和高效的低配位活性原子共同提高了催化活性。因此，定制的MD-RuO2-BN在三電極電池設(shè)置和質(zhì)子交換膜水電解器（PEMWEs）中展現(xiàn)了無與倫比的OER活性和穩(wěn)定性。此外，集成的氫-水循環(huán)電源系統(tǒng)的演示為Ru基材料的應(yīng)用提供了更多機(jī)會。這項工作為提高無銥基OER催化劑的催化性能提供了見解，并將激發(fā)PEMWEs在大規(guī)模綠色H2生產(chǎn)中的發(fā)展。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題：Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-48372-4