原創(chuàng) 劉倩 研之成理 2022-06-12
▲第一作者：劉倩
通訊作者：木士春
通訊單位：武漢理工大學(xué)
論文DOI：10.1039/d2ta01699k
01 全文速覽
本工作基于簡單的離子交換策略，合成了近乎中空的八面體結(jié)構(gòu)催化劑，由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和協(xié)同效應(yīng)，該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性。在酸性和堿性條件下，驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度所需的過電位分別為48和22 mV。
02 背景介紹
電解水因其簡單、環(huán)保被認(rèn)為是一種極具前景的綠氫制備技術(shù)。鉑（Pt）貴金屬因具有合適的氫吸附吉布斯自由能（ΔGH*），是理想的電解水析氫反應(yīng)（HER）催化劑，但其儲量稀缺，價(jià)格高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。釕（Ru）作為另一種Pt族貴金屬，具有和Pt相似的金屬-氫鍵強(qiáng)度，但其價(jià)格僅為Pt的1/4。此外，MoO2擁有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，而且過渡金屬Cu等具有高的電導(dǎo)率及電化學(xué)活性，可促進(jìn)HER性能的提高。因此，合理設(shè)計(jì)具有Cu-MoO2的Ru基多相催化劑將有望獲得可與Pt性能相媲美且成本低于貴金屬Pt的催化劑。
03 本文亮點(diǎn)
本工作借助獨(dú)特的MOF結(jié)構(gòu)為前驅(qū)體，合成了近乎中空的Ru-Cu-MoO2催化劑。該中空八面體具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是獨(dú)特的多核空心結(jié)構(gòu)充分利用了空心催化劑的內(nèi)部空間，使Ru-Cu-MoO2具有較大的比表面積和豐富的活性位點(diǎn)；二是空心八面體內(nèi)部存在大量的空穴，有利于HER內(nèi)部的傳質(zhì)；三是Ru大部分分布于八面體的表面，可以提高釕的催化活性和利用率。同時(shí)，理論計(jì)算表明，由于Ru、Cu和MoO2的協(xié)同作用，Ru-Cu-MoO2的氫吸附吉布斯自由能（ΔGH*）接近于0，說明其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)促進(jìn)HER動(dòng)力學(xué)。此外，MOF衍生的碳材料作為包覆層具有顯著的導(dǎo)電性，可以有效地避免金屬的團(tuán)聚。
04 圖文解析
▲圖1：合成示意圖及目標(biāo)樣品的XRD、XPS圖。
如圖1所示，采用離子交換的方法制備了不同反應(yīng)時(shí)間的催化劑。XPS分析結(jié)果表明Ru成功修飾于NENU-5上。
▲圖2：Ru-Cu-MoO2的微觀結(jié)構(gòu)。
隨后，通過TEM研究了Ru-Cu-MoO2八面體中空納米結(jié)構(gòu)的形成和演變規(guī)律（圖2）。在NENU-5中加入RuCl3后，Ru3+會(huì)與Cu2+發(fā)生交換，占據(jù)NENU-5中Cu2+的位點(diǎn)；隨后，Ru3+開始從外到內(nèi)緩慢刻蝕NENU-5表面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Ru3+逐漸進(jìn)入八面體，破壞NENU-5原有的實(shí)心結(jié)構(gòu)；高溫退火后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)收縮并結(jié)晶，形成空心納米顆粒。然而，如果反應(yīng)時(shí)間過長，NENU-5中的Cu2+大部分會(huì)被Ru3+取代，導(dǎo)致八面體結(jié)構(gòu)坍塌。此外，EDS測試表明，Ru大部分分布于八面體的表面，可為HER提供更多的活性位點(diǎn)。
▲圖3：酸性和堿性條件下的HER性能。
▲圖4：堿性海水的HER性能。
得益于獨(dú)特的近乎中空的八面體結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示，Ru-Cu-MoO2在0.5 M H2SO4、1M KOH和堿性海水中，驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度需要的過電位僅分別為48、22和23 mV，并表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。
▲圖5：Ru-Cu-MoO2的結(jié)構(gòu)模型和理論計(jì)算結(jié)果。
基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們采用DFT理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了Ru-Cu-MoO2的催化機(jī)理。從PDOS圖可以看出，Ru與Cu-MoO2的融合有利于提高電導(dǎo)率。此外，與Cu, MoO2和Cu-MoO2相比，Ru-Cu-MoO2具有最接近于0的氫吸附吉布斯自由能（ΔGH*）和最低的水吸附能（ΔEH2O），進(jìn)而促進(jìn)HER過程。
05 總結(jié)與展望
文章以NENU-5為前驅(qū)體，通過簡單的離子交換法合成了近乎中空的八面體Ru-Cu-MoO2催化劑。獨(dú)特的中空納米結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的HER性能。DFT計(jì)算進(jìn)一步揭示了Ru-Cu-MoO2優(yōu)異的HER活性來自于最接近于0的氫吸附吉布斯自由能（ΔGH*）和合適的水吸附能（ΔEH2O）。該工作無疑為高效電解水制氫催化劑提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA01699K