大碗 催化進展 2024-05-16 11:16 河南
第一作者：Ding Chen、Ruohan Yu、 Kesong Yu、Ruihu Lu
通訊作者：木士春
通訊單位：武漢理工大學
研究背景和內容
提高釕基催化劑在酸性環境中的活性和穩定性，是取代昂貴的銥基材料作為質子交換膜水電解槽(PEMWEs)陽極催化劑的研究熱點內容之一
武漢理工木士春團隊設計了一種由多尺度富缺陷的RuO2納米單體(MD-RuO2-BN)組成的雙連續納米反應器，并通過三維層析重建技術進行了驗證
獨特的雙連續納米反應器結構通過腔約束效應提供了豐富的活性位點和快速的傳質能力。此外，由于空位和晶界的存在，MD-RuO2-BN具有大量低配位的Ru原子，削弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價價Ru的溶解
研究要點
要點一：本研究首次利用液態熔鹽觸發釕電子特性和局部微環境的雙重調制，并構建了以釕納米晶體為基體的納米反應器
通過三維層析重建技術，顯示了由超細RuO2納米單體組成的納米反應器具有雙連續結構，不僅為催化提供了豐富的活性位點和反應區域，而且通過空腔約束效應增強了質量和電子的傳遞
進一步深入表征分析表明，RuO2顆粒中存在空位和晶界等多尺度缺陷，改變了Ru的局部電子結構和配位環境，從而削弱了Ru-O相互作用
要點二：MD-RuO2-BN優化了電子結構和微觀結構，在電化學測試中確實表現出良好的酸性OER性能。此外，作者還證明了一種以MD-RuO2-BN為陽極的高性能PEMWE，在電流密度為1 A cm-2的情況下輸出1.64 V的極低電池電壓。最后，密度泛函理論(DFT)計算證實了多尺度缺陷對增強RuO2活性和穩定性的協同作用
圖1:催化劑的構造與結構表征。MD-RuO2-BN的制備及催化過程示意圖。（b、c ）MD-RuO2-BN的STEM圖像。插圖:單晶的EELS分析。（d）MD-RuO2-BN的STEM圖譜及相應元素分布。（e）MD-RuO2-BN和C-RuO2的XRD譜圖。（f）MD-RuO2-BN和C-RuO2的N2吸附-解吸等溫線和孔徑分布圖。
圖4:MD-RuO2-BN的催化性能。MD-RuO2-BN、K-RuO2和C-RuO2的極化曲線、Tafel曲線和Nyquist圖(a-c)。Nyquist圖的高頻區域用于確定溶液電阻(約9 Ω)進行iR校正。（d）OER恒流穩定性測試，無ir校正。典型的PEMWE器件(e)和MEA元件(f)的示意圖。在80℃下測量的PEM電解槽的極化曲線(g)和隨時間變化的電流密度曲線(h)，沒有iR校正。(i)用PEMWE生產氫氣來驅動氫燃料電池的演示。
參考文獻：Ding Chen, Ruohan Yu, Kesong Yu. et al. Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation. Nature Communications. (2024).
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48372-4