ZEmilia MS楊站長 2024-05-12 21:48 廣東
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
論文速覽
本文提出了一種由多尺度缺陷RuO2納米單體（MD-RuO2-BN）組成的雙連續納米反應器，用于提高釕（Ru）基催化劑在酸性環境中的活性和穩定性，以期替代更昂貴的銥（Ir）基材料作為質子交換膜水電解器（PEMWEs）的陽極催化劑。通過三維斷層掃描重建技術確認了這種獨特的雙連續納米反應器結構，該結構提供了豐富的活性位點和通過腔體限制效應實現的快速傳質能力。此外，現有的空位和晶界賦予了MD-RuO2-BN豐富的低配位Ru原子和減弱的Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解。因此，在酸性介質中，MD-RuO2-BN實現了超高水氧化活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和超低降解速率1.2 mV h-1。使用MD-RuO2-BN作為陽極的自制PEMWE也展現了高水分解性能（1.64 V @ 1 A cm-2）。理論計算和原位拉曼光譜進一步揭示了MD-RuO2-BN的電子結構和水氧化過程的機制，合理化了通過多尺度缺陷和保護活性Ru位點的協同效應增強的性能。
圖文導讀
圖1：MD-RuO2-BN的制備和催化過程，以及通過雙球差校正掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）觀察到的催化劑微觀結構。
圖2：三維斷層掃描重建技術展示了MD-RuO2-BN的形貌，揭示了由超細RuO2納米單體和內部孔隙組成的獨特的雙連續納米反應器結構。
圖3：MD-RuO2-BN在原子尺度的觀察，包括STEM圖像、XPS光譜、EPR光譜、XANES和EXAFS光譜，以及通過小波變換（WT）驗證的EXAFS光譜分析結果。
圖4：MD-RuO2-BN的OER活性測試結果，包括極化曲線、Tafel曲線、Nyquist圖和穩定性測試。
圖5：通過DFT計算和原位拉曼光譜對MD-RuO2-BN增強活性和穩定性的機理分析。
總結展望
本文通過將具有豐富Ru/O空位和內外晶界的RuO2納米單體組裝成雙連續納米反應器，實現了RuO2的電子和微觀結構的同步優化。Ru的氧化態降低和Ru-O鍵的延長減弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解，從而增強了RuO2的耐久性。同時，豐富的反應區域和高效的低配位活性原子共同提高了催化活性。因此，定制的MD-RuO2-BN在三電極電池設置和質子交換膜水電解器（PEMWEs）中展現了無與倫比的OER活性和穩定性。此外，集成的氫-水循環電源系統的演示為Ru基材料的應用提供了更多機會。這項工作為提高無銥基OER催化劑的催化性能提供了見解，并將激發PEMWEs在大規模綠色H2生產中的發展。
文獻信息
標題：Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-48372-4