Flower-like Amorphous MoO3-x Stabilized Ru Single Atoms for Efficient Overall Water/Seawater Splitting
ASNChina AdvancedScienceNews 2023-05-12 20:47 發(fā)表于四川
摘要：武漢理工大學(xué)木士春教授和南京曉莊學(xué)院劉蘇莉教授利用非晶態(tài)載體材料的不飽和配位環(huán)境和豐富的缺陷位點，提出了一種將高活性的釕(Ru)單原子嵌入非晶態(tài)MoO3-x載體中的雙功能催化性能優(yōu)化策略。所制備的非晶態(tài)氧化鉬錨定的Ru單原子催化劑（Ru SAs-MoO3-x/NF）在堿性水和堿性海水中均表現(xiàn)出了優(yōu)異的電解水催化活性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：Advanced Science，釕單原子，非晶態(tài)載體，雙功能催化，武漢理工大學(xué)。
當前，日益增長的傳統(tǒng)化石燃料消耗和隨之產(chǎn)生的環(huán)境問題促進了氫能等可再生能源的發(fā)展。電解水制氫是一種高效且無碳排放的制氫技術(shù)。然而，電解水過程中緩慢的析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)動力學(xué)導(dǎo)致了極高的反應(yīng)勢壘，因此需要高效的催化劑以降低過電位。目前電解水制氫所用的商業(yè)用催化劑中，HER主要依賴鉑（Pt），而OER主要依賴銥（Ir），其昂貴的價格和稀缺性阻礙了電解水制氫技術(shù)的推廣。
釕(Ru)作為一種高性價比的貴金屬，具有類似Pt的氫結(jié)合能和卓越的OH-吸附力及解離力。構(gòu)建Ru單原子不僅可以獲得最大的原子利用效率、特殊尺寸的量子效應(yīng)和可量身定制的活性位點，而且可以顯著降低貴金屬Ru的用量。然而，由于單原子的配位環(huán)境很大程度上取決于載體中缺陷位點的局部電子結(jié)構(gòu)，因而需要找到合適的載體以發(fā)揮單原子的高活性。在各種載體材料中，過渡金屬氧化物(TMOs)擁有良好的電子導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐腐蝕性能。此外，構(gòu)建非晶態(tài)結(jié)構(gòu)被認為是提高催化劑雙功能活性的一種有前途的策略。非晶態(tài)材料往往具有更多的暴露表面和缺陷，這可以提供豐富的活性位點，便于電解水過程中帶電物種的輸運。不僅如此，良好的靈活性使它們能夠根據(jù)電催化條件進行自我調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)表面和體積受限情況下的電催化。因此，非晶態(tài)TMOs可作為負載Ru單原子的理想載體。
為此，武漢理工大學(xué)木士春課題組及南京曉莊學(xué)院劉蘇莉團隊設(shè)計并制備了非晶態(tài)氧化鉬錨定的單原子Ru催化劑（Ru SAs-MoO3-x/NF）。Ru SAs-MoO3-x/NF具有三維花朵狀的形貌、非晶態(tài)的載體特征和均勻的Ru單原子分布，使其具有豐富的活性位點和卓越的催化活性。實驗證明表明，所制備的Ru SAs-MoO3-x/NF電極在堿性介質(zhì)中能有效地進行OER （209 mV @ 10 mA cm-2）和HER（36 mV @ 10 mA cm-2）。當作為陰、陽極催化劑組裝在水電解槽中時，它只需要1.716和1.759 V的超低電壓，就可以分別在堿性水和堿性海水電解質(zhì)中驅(qū)動100 mA cm-2的電流密度，大大超過了商用Pt/C和RuO2的性能。這表明Ru SAs-MoO3-x/NF在多場景水電解方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
此項工作為開發(fā)高效、低成本的水和海水電解催化劑提供了新思路，相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Science上。