原創(chuàng) 化學(xué)與材料科學(xué) 2021-12-10
近期，武漢理工大學(xué)木士春教授團(tuán)隊(duì)在釕修飾二硒化鎳（Ru-NiSe2）納米片陣列的制備及促進(jìn)電化學(xué)全水解方面取得新進(jìn)展。他們通過Ru修飾，實(shí)現(xiàn)了三維納米片陣列結(jié)構(gòu)的保型及硒化物金屬位點(diǎn)吸附自由能的優(yōu)化。所合成的Ru–NiSe2催化劑加速了在堿性介質(zhì)中的析氧和析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而展現(xiàn)出突出的電化學(xué)全解水性能。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Ru-incorporated Nickel Diselenide Nanosheet Arrays with Accelerated Adsorption Kinetics toward Overall Water Splitting”發(fā)表于期刊Small。
I DFT理論計(jì)算預(yù)測(cè)分子動(dòng)力學(xué)
為了預(yù)測(cè)Ru–NiSe2的內(nèi)在全水解活性，采用DFT理論計(jì)算分析了含氧中間體（ΔGM*）、氫（ΔGH*）和H2O分子(ΔGH2O*)的吸附自由能。結(jié)果表明，Ru修飾可以優(yōu)化金屬Ni位點(diǎn)上的吸附吉布斯自由能，從而加速電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
圖1. DFT理論計(jì)算
II Ru修飾保持三維納米結(jié)構(gòu)
前驅(qū)體Ni（OH）2具有獨(dú)特的三維納米片陣列結(jié)構(gòu)。其經(jīng)過Ru3+溶液浸漬后再進(jìn)行退火，不僅完整地保留了初始形貌，而且還提供了更優(yōu)的三維空間結(jié)構(gòu)和更大的電化學(xué)比表面積。
圖2. Ru-NiSe2/NF催化劑的合成示意圖
III Ru修飾獲得優(yōu)異HER/OER/水分解性能
制備的Ru-NiSe2/NF在OER、HER和全水解中表現(xiàn)出非常高的活性。在堿性介質(zhì)中，當(dāng)電流密度為10 mA cm-2時(shí)，其OER過電位僅為210 mV，HER僅為59 mV，全水解所需電壓低至1.537 V；此外，無論是OER、HER還是全水解，該催化劑均保持了高的電化學(xué)穩(wěn)定性。
圖3. OER性能
圖4. HER性能
圖5. 全水解性能
IV 原位拉曼技術(shù)探測(cè)OER反應(yīng)過程變化
原位拉曼光譜分析表明，在OER過程中發(fā)生了NiSe2溶解以及NiOOH原位再沉積，進(jìn)一步證明了OER過程中活性位點(diǎn)由NiSe2向中間體NiOOH轉(zhuǎn)變。
圖6. 原位拉曼光譜
作者簡(jiǎn)介
木士春教授研究團(tuán)隊(duì)致力于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換材料及器件研發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注質(zhì)子交換膜燃電池催化劑、水電解制氫催化劑及納米碳催化材料等。木士春教授現(xiàn)為武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表250余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，以第一發(fā)明人申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利近100件，其中授權(quán)70余件。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105305