文章信息
超低載量釕摻雜的非晶態(tài)鈷基氧化物用于在堿性介質和堿性海水介質中高效驅動高電流密度電解水反應
第一作者：吳杜蘭
通訊作者：木士春*
研究背景
隨著人們對綠色可再生資源的需求及氫經濟的發(fā)展，電解水制氫將成為人們獲得氫能的主要途徑，但目前電解水制氫的工業(yè)應用受到高能耗的限制。因此，如何在高電流密度下實現高效和穩(wěn)定的電解水制氫顯得格外重要。這無疑促使人們去探索具有突出析氫和析氧反應（HER&OER）電催化活性的雙功能催化劑。當前，應用于HER&OER的商業(yè)催化劑分別主要為Pt/C和RuO2/IrO2，不僅價格昂貴，而且穩(wěn)定性差。此外，隨著淡水資源的日漸枯竭，使人們將目光投向了儲量更為豐富的海水來制氫，這對催化劑是一個很大挑戰(zhàn)。因此，合理地設計和構筑一種成本低且能更高效地海水電解制氫的非貴金屬催化劑變得尤為重要。
文章簡介
基于此，武漢理工大學木士春團隊設計并構筑了一種超低載量釕摻雜的非晶態(tài)鈷基氧化物雙功能催化劑（Ru-CoOx/NF），用于在堿性條件下高效驅動電解海水反應。
圖1. 圖文摘要
本文要點
要點一：催化劑具有獨特的金屬Ru摻雜和非晶態(tài)CoOx納米片結構
相較于晶態(tài)結構，非晶態(tài)結構可以暴露出較多的表面缺陷，進而提供更多的電化學活性位點；而金屬釕的摻雜可引起的內部電荷轉移以促進電化學動力學，使得Ru-CoOx具有優(yōu)異的電催化性能。
圖2. Ru-CoOx/NF催化劑的結構表征
要點二：優(yōu)異的OER、HER催化活性
Ru-CoOx/NF在堿性介質中表現出出色的電催化活性與穩(wěn)定性。在1000mA cm-2大電流密度下，其OER和HER的過電位僅為370和252 mV。催化劑經過100h的恒電流穩(wěn)定性測試后，性能并沒有明顯衰減。
利用Ru-CoOx/NF為陰極和陽極組裝的電解槽展現出優(yōu)異的全解水性能，僅需1.59V的槽電壓就能獲得100mA cm-2的電流密度，具有接近100%的法拉第效率，而且在30h的多步電壓穩(wěn)定性測試過程中仍能保持穩(wěn)定的性能。
圖3. Ru-CoOx/NF在堿性介質中的電催化活性
要點三：有效驅動海水全電解制氫
實驗結果表明，Ru-CoOx/NF在堿性海水介質中也能有效催化電解水反應。在100mA cm-2和1000mA cm-2大電流密度下，電解槽分別僅需630、1390 mV的過電位，明顯低于商業(yè)貴金屬構成的Pt/C/NF || RuO2/NF電解槽的過電位（760 mV, 1530 mV）。同時，還具有出色的穩(wěn)定性和接近100%的法拉第效率。在30h的多步電壓穩(wěn)定性測試中，性能曲線在經過峰值后并無顯著衰減。
圖4. Ru-CoOx/NF在海水介質中的電催化活性
文章鏈接
Ultralow Ru Incorporated Amorphous Cobalt-Based Oxides for High-Current-Density Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Media
https://doi.org/10.1002/smll.202102777
通訊作者介紹
木士春 武漢理工大學學科首席教授，博士生導師。主要從事電解水制氫、質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國內外期刊上發(fā)表250余篇SCI學術論文，申請國家發(fā)明專利102件，其中授權84件。