陳釘?shù)?CBG資訊 2024-05-14 08:51 江蘇
導(dǎo)語
提高釕（Ru）基催化劑在酸性環(huán)境中的活性和穩(wěn)定性是其取代昂貴的銥(Ir)基催化劑的關(guān)鍵。然而，迄今為止，雖然已采用了多種策略，包括形貌和結(jié)構(gòu)調(diào)控，晶格摻雜，合金化、缺陷工程等，但Ru基催化劑的性能仍有待進(jìn)一步提高。近期，武漢理工大學(xué)木士春教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上發(fā)表文章，報(bào)道了一種獨(dú)特的雙連續(xù)RuO2納米反應(yīng)器。該納米反應(yīng)器由連續(xù)的多尺度缺陷RuO2納米晶體和內(nèi)部孔隙構(gòu)成，可以高效、穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)酸性析氧反應(yīng)（OER），且在PEMWE和集成再生燃料電池系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
前沿科學(xué)成果
雙連續(xù)RuO2納米反應(yīng)器高效驅(qū)動(dòng)酸性水氧化
作者首先利用液態(tài)熔鹽觸發(fā)釕電子特性和局部微環(huán)境的雙重調(diào)制，成功構(gòu)建了一個(gè)由Ru超細(xì)納米晶體和內(nèi)部孔隙連續(xù)構(gòu)成的雙連續(xù)納米反應(yīng)器（圖1），并通過先進(jìn)的三維重構(gòu)斷層掃描技術(shù)得到佐證（圖2）。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅為催化過程提供了豐富的活性位點(diǎn)和反應(yīng)區(qū)域，而且通過空腔限制效應(yīng)增強(qiáng)了電子傳遞。
圖1. 催化劑的合成和結(jié)構(gòu)表征（來源：Nature communications）
圖2. 三維重構(gòu)斷層掃描表征（來源：Nature Communications）
接著，原子和局域電子結(jié)構(gòu)研究表明（圖3），超細(xì)RuO2納米晶體中存在豐富的Ru空位 (VRu)、氧空位 (VO)、粒內(nèi)/粒間邊界等從點(diǎn)到面的多尺度缺陷。這些缺陷賦予RuO2大量的低配位Ru原子，削弱了Ru-O相互作用，極大地抑制了晶格氧的氧化和高價(jià)Ru的溶解。
圖3. 催化劑的原子和局域電子結(jié)構(gòu)（來源：Nature Communications）
從電化學(xué)測(cè)試結(jié)果來看（圖4），該多尺度缺陷RuO2雙連續(xù)納米反應(yīng)器（MD-RuO2-BN）在酸性介質(zhì)中獲得了優(yōu)異的OER活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和較低的降解率（1.2 mV h-1）。在自組裝的PEMWE中，MD-RuO2-BN同樣表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)RuO2的活性和穩(wěn)定性。此外，氫-水一體化循環(huán)供電系統(tǒng)的成功示范無疑將進(jìn)一步推動(dòng)PEMWE技術(shù)的發(fā)展。
圖4. 催化劑的電化學(xué)性能（來源：Nature Communications）
最后，密度泛函理論（DFT）計(jì)算和原位拉曼分析進(jìn)一步揭示了MD-RuO2-BN的電子結(jié)構(gòu)和析氧反應(yīng)機(jī)理。除了微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，多尺度缺陷的協(xié)同作用和受保護(hù)的活性釕位點(diǎn)被分別認(rèn)為是催化劑活性和穩(wěn)定性提高的主要原因。
圖5. DFT計(jì)算和原位拉曼光譜（來源：Nature Communications）
該工作以“Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation”為題發(fā)表在Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上。論文第一作者為武漢理工大學(xué)2021級(jí)博士研究生陳釘等，通訊作者為武漢理工大學(xué)木士春教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（22075223、22379117）的大力資助。
木士春老師團(tuán)隊(duì)簡介
木士春，武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師，國家級(jí)高層次人才。長期致力于質(zhì)子交換膜燃電池和電解水制氫催化材料及器件研發(fā)。以第一/通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等國內(nèi)外權(quán)威期刊上發(fā)表300余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。詳見團(tuán)隊(duì)主頁http://shichunmu.polymer.cn/。
團(tuán)隊(duì)合影