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(xué)
研究背景和內(nèi)容
提高釕基催化劑在酸性環(huán)境中的活性和穩(wěn)定性，是取代昂貴的銥基材料作為質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWEs)陽極催化劑的研究熱點內(nèi)容之一
武漢理工木士春團隊設(shè)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(xù)納米反應(yīng)器，并通過三維層析重建技術(shù)進行了驗證
獨特的雙連續(xù)納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)通過腔約束效應(yīng)提供了豐富的活性位點和快速的傳質(zhì)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(tài)熔鹽觸發(fā)釕電子特性和局部微環(huán)境的雙重調(diào)制，并構(gòu)建了以釕納米晶體為基體的納米反應(yīng)器
通過三維層析重建技術(shù)，顯示了由超細(xì)RuO2納米單體組成的納米反應(yīng)器具有雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，不僅為催化提供了豐富的活性位點和反應(yīng)區(qū)域，而且通過空腔約束效應(yīng)增強了質(zhì)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(jié)構(gòu)和配位環(huán)境，從而削弱了Ru-O相互作用
要點二：MD-RuO2-BN優(yōu)化了電子結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，在電化學(xué)測試中確實表現(xiàn)出良好的酸性O(shè)ER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(wěn)定性的協(xié)同作用
圖1:催化劑的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)域用于確定溶液電阻(約9 Ω)進行iR校正。（d）OER恒流穩(wěn)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(chǎn)氫氣來驅(qū)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