陳釘等 CBG資訊 2024-05-14 08:51 江蘇
導語
提高釕（Ru）基催化劑在酸性環(huán)境中的活性和穩(wěn)定性是其取代昂貴的銥(Ir)基催化劑的關鍵。然而，迄今為止，雖然已采用了多種策略，包括形貌和結構調控，晶格摻雜，合金化、缺陷工程等，但Ru基催化劑的性能仍有待進一步提高。近期，武漢理工大學木士春教授團隊在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上發(fā)表文章，報道了一種獨特的雙連續(xù)RuO2納米反應器。該納米反應器由連續(xù)的多尺度缺陷RuO2納米晶體和內部孔隙構成，可以高效、穩(wěn)定地驅動酸性析氧反應（OER），且在PEMWE和集成再生燃料電池系統(tǒng)中展現出廣闊的應用前景。
前沿科學成果
雙連續(xù)RuO2納米反應器高效驅動酸性水氧化
作者首先利用液態(tài)熔鹽觸發(fā)釕電子特性和局部微環(huán)境的雙重調制，成功構建了一個由Ru超細納米晶體和內部孔隙連續(xù)構成的雙連續(xù)納米反應器（圖1），并通過先進的三維重構斷層掃描技術得到佐證（圖2）。這種獨特的結構不僅為催化過程提供了豐富的活性位點和反應區(qū)域，而且通過空腔限制效應增強了電子傳遞。
圖1. 催化劑的合成和結構表征（來源：Nature communications）
圖2. 三維重構斷層掃描表征（來源：Nature Communications）
接著，原子和局域電子結構研究表明（圖3），超細RuO2納米晶體中存在豐富的Ru空位 (VRu)、氧空位 (VO)、粒內/粒間邊界等從點到面的多尺度缺陷。這些缺陷賦予RuO2大量的低配位Ru原子，削弱了Ru-O相互作用，極大地抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解。
圖3. 催化劑的原子和局域電子結構（來源：Nature Communications）
從電化學測試結果來看（圖4），該多尺度缺陷RuO2雙連續(xù)納米反應器（MD-RuO2-BN）在酸性介質中獲得了優(yōu)異的OER活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和較低的降解率（1.2 mV h-1）。在自組裝的PEMWE中，MD-RuO2-BN同樣表現出優(yōu)于商業(yè)RuO2的活性和穩(wěn)定性。此外，氫-水一體化循環(huán)供電系統(tǒng)的成功示范無疑將進一步推動PEMWE技術的發(fā)展。
圖4. 催化劑的電化學性能（來源：Nature Communications）
最后，密度泛函理論（DFT）計算和原位拉曼分析進一步揭示了MD-RuO2-BN的電子結構和析氧反應機理。除了微觀結構優(yōu)化外，多尺度缺陷的協同作用和受保護的活性釕位點被分別認為是催化劑活性和穩(wěn)定性提高的主要原因。
圖5. DFT計算和原位拉曼光譜（來源：Nature Communications）
該工作以“Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation”為題發(fā)表在Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上。論文第一作者為武漢理工大學2021級博士研究生陳釘等，通訊作者為武漢理工大學木士春教授。研究工作得到了國家自然科學基金（22075223、22379117）的大力資助。
木士春老師團隊簡介
木士春，武漢理工大學學科首席教授，博士生導師，國家級高層次人才。長期致力于質子交換膜燃電池和電解水制氫催化材料及器件研發(fā)。以第一/通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等國內外權威期刊上發(fā)表300余篇高質量學術論文。詳見團隊主頁http://shichunmu.polymer.cn/。
團隊合影