www.toutiao.com 2024-09-03 16:00
利用間歇式可再生能源驅動的質子交換膜水電解槽(PEMWEs)因其具有高效、安全的特點，在綠色制氫方面引起了廣泛關注。然而，陽極析氧反應(OER)涉及遲緩的四電子轉移動力學和熱力學上坡過程，實現PEMWEs大規模應用需要開發高性能和低成本的催化劑。綜合考慮價格、豐度和活性，RuO2基催化劑是PEMWEs陽極催化劑的最佳選擇。但是，OER反應過程中催化中心的氧化會導致高價釕(RuO42-和RuO4)的形成和溶解，并引起晶格氧的參與。活性位點的損失和晶體結構的改變都導致RuO2的快速失活。
迄今為止，幾乎沒有工作開發出同時抑制Ru物種的失活和提高效能的RuO2納米微反應器；另一方面，建立合適的反應器有利于提高原子利用率，以及傳質和氣體釋放，從而保持催化劑的高效和穩定運行。因此，這種電子結構和微結構的一體化設計對于PEMWEs的實際應用是非常理想的，但在精細結構-活性關系的設計、合成和分析方面仍具有挑戰性。
近日，武漢理工大學木士春課題組使用液態熔鹽觸發Ru電子特性和局部微環境的雙重調制，并構建了以RuO2納米晶為基體的納米反應器(MD-RuO2-BN)。透過三維斷層重建技術，由超細RuO2納米單體組成的納米反應器呈現雙連續結構，不但提供豐富的催化活性中心和反應區域，而且通過空穴限制效應增加質量和電子轉移。此外，RuO2顆粒中存在空位和晶界等多尺度缺陷，這些缺陷改變了Ru的局域電子結構和配位環境，進而削弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高價Ru的溶解。
因此，在酸性條件下，MD-RuO2-BN納米反應器在10 mA cm-2電流密度下的OER過電位為196 mV，并且在連續電解24小時過程中僅出現29 mV的過電位增加。
研究人員將MD-RuO2-BN作為陽極組裝到MD-RuO2-BN||Pt/C電解槽中，該電解槽僅需1.465 V的電壓就能產生10 mA cm-2的電流密度；同時利用該納米反應器組裝的PEMWE達到1 A cm-2電流密度所需的電壓僅為1.64 V，并且在1 A cm-2下連續電解50小時后，陽極上的MD-RuO2-BN催化層沒有脫落，催化層和膜結構保存完好。
總的來說，該項工作為設計和合成具有豐富納米反應器的高效、穩定的Ru基催化劑提供了一個可行的思路，為PEMWEs的實際應用奠定了基礎。
Nature Communications, 2024.