由于緩慢的電極過程動力學，水電解制氫需要較高的能耗，極大地限制了其應用。這迫使人們開發能夠有效加速全水解反應的電催化劑。然而，目前大多數過渡金屬基催化劑在酸性和高氧化環境中不穩定，而且用途單一。因此，尋找在寬 pH 范圍內具有快速析氫和析氧反應 (HER&OER) 動力學的穩定雙功能催化劑成為研究熱點。盡管Ru納米粒子的金屬-氫鍵強度與Pt相近且對含氫和含氧中間體均有良好的吸附能力, 但它們容易發生浸出和氧化失活, 特別是在進行酸性OER反應時。為此，我們設計并構建了一種適用于寬pH范圍的雙功能Ru@MoO(S)3納米膠囊結構電催化劑，其在酸、堿介質中均表現出優異且幾乎相同的全水解性能。
【工作介紹】
近日，武漢理工大學木士春教授課題組等人設計并構筑了一種寬pH范圍內高效的雙功能全水解催化劑Ru@MoO(S)3。該催化劑具有獨特的納米膠囊結構，膠囊結構中的“內膽”為Ru，超薄“外殼”為S調制的MoO3（MoO(S)3）。Ru作為高活性位點，在S陰離子的調制以及MoO(S)3殼層的封裝下表現出優異的OER&HER雙活性和穩定性，在酸、堿介質中均明顯優于由商業Pt/C和RuO2組裝的電解槽性能。該文章發表在國際能源領域頂級期刊Nano Energy上。武漢理工大學博士研究生陳釘、余若瀚以及碩士研究生吳杜蘭為本文共同第一作者。
【內容表述】
圖1. 合成示意圖及目標樣品Ru@MoO(S)3的微觀結構。
如圖1所示，首先采用水包油法一步水熱反應制備了具有褶皺表面的單分散球形Mo基前驅體，再經過載Ru以及后續的高溫退火獲得了具有獨特膠囊結構的目標樣品Ru@MoO(S)3。接著，利用電鏡技術對該催化材料的微觀結構進行了解析，發現在膠囊結構中膠囊“內膽”為Ru納米晶體，超薄“外殼”為MoO(S)3。Ru作為高活性位點有望在S陰離子的調制（優化電子結構，降低能量勢壘）以及在MoO(S)3殼層封裝下表現出突出的OER&HER雙催化活性和穩定性。
圖2. 全水解性能圖。
一系列的電化學測試表明，得益于獨特的納米膠囊結構，Ru@MoO(S)3在1 M KOH和0.5 M H2SO4介質中均表現出優異的HER和OER活性及穩定性，且分別只需1.526和1.522 V槽電壓即可有效驅動10 mA cm-2的全水解反應，顯著超過了商業Pt/C和RuO2電極對的電解水性能。此外，排水法測得該全水解裝置的法拉第效率接近100%（圖2）。這是首次報道一種催化劑在酸性和堿性介質中具有幾乎相同的電解水活性，有利于降低實際電解水系統的復雜性和成本，為先進的酸性質子交換膜和堿性陰離子交換電解槽的開發提供借鑒。
Ding Chen, Ruohan Yu, Dulan Wu, Hongyu Zhao, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Pengxia Ji, Zonghua Pu, Lei Chen, Jun Yu, Shichun Mu, Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media, Nano Energy, 22022.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107445
作者簡介
木士春教授 武漢理工大學首席教授，博士生導師，國家級高層次人才。長期致力于質子交換膜燃電池和電解水催化劑研究。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國內外期刊上發表260余篇高質量學術論文。