陳釘?shù)?科學(xué)材料站 2022-06-07
文 章 信 息
陰離子調(diào)制的釕/氧化鉬納米膠囊：在酸、堿介質(zhì)中具有幾近相同的全水解性能
第一作者：陳釘，余若瀚，吳杜蘭
通訊作者：木士春
單位：武漢理工大學(xué)
研 究 背 景
在實(shí)際的連續(xù)全水解過程中，質(zhì)子濃度不可避免的變化會(huì)導(dǎo)致催化活性的降低和能量的損失。因此，理想的電解水制氫催化劑應(yīng)同時(shí)適應(yīng)不同pH條件下的OER和HER催化機(jī)制。這對(duì)降低實(shí)際水電解系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本至關(guān)重要。然而，由于大多數(shù)過渡金屬基催化劑在酸性和高氧化環(huán)境下不穩(wěn)定且用途單一，目前只能用于堿性環(huán)境。因此，設(shè)計(jì)在寬pH范圍內(nèi)具有高OER&HER動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定雙功能催化劑具有極大的挑戰(zhàn)性。
為此，如圖1，我們?cè)O(shè)計(jì)和構(gòu)筑了一種雙功能Ru@MoO(S)3納米膠囊結(jié)構(gòu)電催化劑。在該納米膠囊結(jié)構(gòu)中，活性釕（Ru）納米顆粒被封裝于硫（S）離子調(diào)制的氧化鉬（MoO3）殼內(nèi)。在寬pH范圍內(nèi)，構(gòu)筑的催化劑展現(xiàn)了優(yōu)異的電催化性能。 
圖1. 文章摘要圖。
文 章 簡(jiǎn) 介
本文中，來(lái)自武漢理工大學(xué)的木士春等教授在國(guó)際知名期刊Nano Energy上發(fā)表題為“Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media”的觀點(diǎn)文章。該觀點(diǎn)文章表明，通過將Ru納米顆粒封裝在S調(diào)制的氧化鉬（MoO(S)3）殼內(nèi)形成的獨(dú)特納米膠囊結(jié)構(gòu)，不僅保留了Ru固有的電催化活性和快速的傳質(zhì)過程，同時(shí)防止了其過快的電氧化，從而保證了催化劑的穩(wěn)定性。
本 文 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2所示，采用水包油法一步水熱反應(yīng)制備了具有褶皺表面的單分散球形Mo基前驅(qū)體，再經(jīng)過載Ru以及后續(xù)的高溫退火獲得了具有獨(dú)特膠囊結(jié)構(gòu)的目標(biāo)樣品Ru@MoO(S)3。其中膠囊“內(nèi)膽”為Ru納米晶體，超薄“外殼”為S調(diào)制的MoO3 （MoO(S)3）。
Ru作為高活性位點(diǎn)，在MoO(S)3殼層封裝下表現(xiàn)出突出的OER&HER雙催化活性；而封裝后的Ru在MoO(S)3外殼的保護(hù)下可以有效避免在OER過程中被快速氧化，保持良好的穩(wěn)定性。此外，硫陰離子部分取代氧產(chǎn)生的催化劑表面進(jìn)一步調(diào)制了催化劑的電子結(jié)構(gòu)，作為活性位點(diǎn)能夠有效降低能量勢(shì)壘，提高材料的電催化性能。 
圖2. 合成示意圖及目標(biāo)樣品Ru@MoO(S)3的微觀結(jié)構(gòu)。
要點(diǎn)二：在酸性和堿性介質(zhì)中展現(xiàn)幾乎相同的全水解能力
得益于獨(dú)特的納米膠囊結(jié)構(gòu)，如圖3所示，Ru@MoO(S)3分別驅(qū)動(dòng)0.5 M H2SO4和1 M KOH電解液中的全水解反應(yīng)只需要1.522和1.526 V的槽電壓就可以提供10 mA cm-2的電流密度，且表現(xiàn)出不俗的穩(wěn)定性。此外，該全水解裝置的法拉第效率接近100%。這是首次報(bào)道一種催化劑在酸性和堿性介質(zhì)中具有幾乎相同的電解水活性，并且顯著超過了商業(yè)Pt/C和RuO2電極對(duì)的電解水活性。 
圖3. 全水解性能圖。
要點(diǎn)三：前瞻
適應(yīng)電解水過程中質(zhì)子濃度變化的OER&HER雙功能電催化劑的構(gòu)筑將有利于降低實(shí)際水電解系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，為先進(jìn)的酸性質(zhì)子交換膜和堿性陰離子交換電解槽的開發(fā)提供廣闊的前景。該研究為設(shè)計(jì)寬pH范圍內(nèi)水電解的雙功能電催化劑提供了新的思路，對(duì)電解水制氫技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。
通 訊 作 者 簡(jiǎn) 介
木士春教授 簡(jiǎn)介：武漢理工大學(xué)首席教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)高層次人才。長(zhǎng)期致力于質(zhì)子交換膜燃電池和電解水催化劑研究。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表260余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。
文 章 鏈 接
Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107445