原創(chuàng) 秦睿等 科學(xué)材料站 2021-12-10
文 章 信 息
釕修飾二硒化鎳納米片陣列加速了全解水吸附動力學(xué)
第一作者：秦睿
通訊作者：木士春*
單位：武漢理工大學(xué)
研 究 背 景
目前，渡金屬硒化物因具有適當(dāng)d電子密度及高的導(dǎo)電性受到人們極大的關(guān)注，并被視為最有潛力的全解水電催化劑之一。然而，其HER/OER雙功能性能離貴金屬基催化材料還有一定距離。如果能采用少量的貴金屬改性硒化物，有望大幅提高其電催化活性。其中，釕（Ru）是一種具有低成本和高催化活性特點(diǎn)的貴金屬，已有研究表明其可與非貴金屬催化劑協(xié)同促進(jìn)電催化反應(yīng)。因此，釕與硒化物的結(jié)合對低成本、高性能的全解水制氫催化劑的研究具有重要的科學(xué)意義和潛在應(yīng)用價值。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學(xué)的木士春教授團(tuán)隊在國際知名期刊Small上發(fā)表題為”Ru-incorporated Nickel Diselenide Nanosheet Arrays with Accelerated Adsorption Kinetics toward Overall Water Splitting”的文章。該工作采用了一種簡單的合成策略，將超低載量（2.76 wt%）的Ru與NiSe2進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合，在保持NiSe2納米片陣列結(jié)構(gòu)的同時優(yōu)化了金屬位點(diǎn)上的吉布斯吸附自由能，有效改善了催化劑的OER、HER和全解水性能。
圖1. Ru-NiSe2/NF催化劑的合成示意圖
本 文 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：DFT理論計算
DFT計算表明， Ru的加入可以優(yōu)化金屬Ni位點(diǎn)上H2O分子和HER/OER中間體的吉布斯吸附自由能，從而加速反應(yīng)動力學(xué)。
圖2. DFT理論計算
要點(diǎn)二：Ru的保形作用
Ni（OH）2具有良好的三維納米片陣列結(jié)構(gòu)，若直接硒化，則形貌會坍縮成納米褶皺；若在退火前將其浸入Ru3+溶液中，則可以完整地保留納米片陣列形貌，而且與原始NiSe2相比還具有更優(yōu)的三維空間結(jié)構(gòu)及更大的電化學(xué)比表面積。
要點(diǎn)三：同時具有高效的HER、OER及全解水性能
制備的Ru-NiSe2/NF在OER、HER和全水解過程中表現(xiàn)出高的電催化活性和穩(wěn)定性。在堿性介質(zhì)中，當(dāng)電流密度為10 mA cm-2時，OER過電位僅為210 mV，HER過電位為59 mV，全水解過程也僅需1.537 V。
圖3. OER性能
圖4. HER性能
圖5. 全水解性
要點(diǎn)四：原位拉曼探測OER反應(yīng)過程
采用原位拉曼技術(shù)進(jìn)一步研究了OER過程，結(jié)果表明在OER過程中形成了中間體NiOOH，并伴隨著NiSe2的溶解，反應(yīng)活性中心隨之轉(zhuǎn)移。
圖6. 原位拉曼光譜
文 章 鏈 接
Ru-Incorporated Nickel Diselenide Nanosheet Arrays with Accelerated Adsorption Kinetics toward Overall Water Splitting
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105305
通 訊 作 者 簡 介
木士春 教授
武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授、博士生導(dǎo)師，主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)產(chǎn)氫和碳納米材料等研究工作。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.等國際權(quán)威期刊上發(fā)表250余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，以第一發(fā)明人申請國家發(fā)明專利近100件，其中授權(quán)70余件。
第 一 作 者 介 紹
秦睿，碩士研究生在讀，2019年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，并加入武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室燃料電池課題組攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向為HER/OER催化劑。
課 題 組 介 紹
本研究團(tuán)隊致力于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與儲存材料、器件及裝置的研究和開發(fā)，重點(diǎn)研究方向為質(zhì)子交換膜燃電池催化材料和核心器件（膜電極等）、鋰離子電池電極材料、電解水制氫催化材料及納米碳催化材料等。