由于緩慢的電極過程動力學(xué)，水電解制氫需要較高的能耗，極大地限制了其應(yīng)用。這迫使人們開發(fā)能夠有效加速全水解反應(yīng)的電催化劑。然而，目前大多數(shù)過渡金屬基催化劑在酸性和高氧化環(huán)境中不穩(wěn)定，而且用途單一。因此，尋找在寬 pH 范圍內(nèi)具有快速析氫和析氧反應(yīng) (HER&OER) 動力學(xué)的穩(wěn)定雙功能催化劑成為研究熱點(diǎn)。盡管Ru納米粒子的金屬-氫鍵強(qiáng)度與Pt相近且對含氫和含氧中間體均有良好的吸附能力, 但它們?nèi)菀装l(fā)生浸出和氧化失活, 特別是在進(jìn)行酸性O(shè)ER反應(yīng)時(shí)。為此，我們設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種適用于寬pH范圍的雙功能Ru@MoO(S)3納米膠囊結(jié)構(gòu)電催化劑，其在酸、堿介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異且?guī)缀跸嗤娜庑阅堋?/span>
【工作介紹】
近日，武漢理工大學(xué)木士春教授課題組等人設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種寬pH范圍內(nèi)高效的雙功能全水解催化劑Ru@MoO(S)3。該催化劑具有獨(dú)特的納米膠囊結(jié)構(gòu)，膠囊結(jié)構(gòu)中的“內(nèi)膽”為Ru，超薄“外殼”為S調(diào)制的MoO3（MoO(S)3）。Ru作為高活性位點(diǎn)，在S陰離子的調(diào)制以及MoO(S)3殼層的封裝下表現(xiàn)出優(yōu)異的OER&HER雙活性和穩(wěn)定性，在酸、堿介質(zhì)中均明顯優(yōu)于由商業(yè)Pt/C和RuO2組裝的電解槽性能。該文章發(fā)表在國際能源領(lǐng)域頂級期刊Nano Energy上。武漢理工大學(xué)博士研究生陳釘、余若瀚以及碩士研究生吳杜蘭為本文共同第一作者。
【內(nèi)容表述】
圖1. 合成示意圖及目標(biāo)樣品Ru@MoO(S)3的微觀結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，首先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。接著，利用電鏡技術(shù)對該催化材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，發(fā)現(xiàn)在膠囊結(jié)構(gòu)中膠囊“內(nèi)膽”為Ru納米晶體，超薄“外殼”為MoO(S)3。Ru作為高活性位點(diǎn)有望在S陰離子的調(diào)制（優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，降低能量勢壘）以及在MoO(S)3殼層封裝下表現(xiàn)出突出的OER&HER雙催化活性和穩(wěn)定性。
圖2. 全水解性能圖。
一系列的電化學(xué)測試表明，得益于獨(dú)特的納米膠囊結(jié)構(gòu)，Ru@MoO(S)3在1 M KOH和0.5 M H2SO4介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的HER和OER活性及穩(wěn)定性，且分別只需1.526和1.522 V槽電壓即可有效驅(qū)動10 mA cm-2的全水解反應(yīng)，顯著超過了商業(yè)Pt/C和RuO2電極對的電解水性能。此外，排水法測得該全水解裝置的法拉第效率接近100%（圖2）。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，有利于降低實(shí)際電解水系統(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)提供借鑒。
Ding Chen, Ruohan Yu, Dulan Wu, Hongyu Zhao, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Pengxia Ji, Zonghua Pu, Lei Chen, Jun Yu, Shichun Mu, Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media, Nano Energy, 22022.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107445
作者簡介
木士春教授 武漢理工大學(xué)首席教授，博士生導(dǎo)師，國家級高層次人才。長期致力于質(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.等國內(nèi)外期刊上發(fā)表260余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。