背景介紹電催化水分解過程包括陽(yáng)極的析氧反應(yīng)(OER)和陰極的析氫反應(yīng)(HER)。由于其動(dòng)力學(xué)緩慢,電子傳遞過程復(fù)雜,需要使用一種高效的電催化劑才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。為了開發(fā)高活性和穩(wěn)定的電催化劑,研究人員篩選了多種催化劑,包括貴金屬、非貴金屬和金屬氧化物。在貴金屬中,Ir基催化劑對(duì)OER表現(xiàn)出顯著的活性和穩(wěn)定性,而Pt基電催化劑是最佳的HER催化劑。雖然基于非貴金屬過渡金屬的納米材料在水分解中也發(fā)揮著重要作用,但其性能還不能與貴金屬基催化劑相比。特別是,作為Pt和Ir的廉價(jià)替代品,Ru基電催化劑作為OER電催化劑得到了廣泛的研究,最近也得到了用于電催化HER的考慮。然而,大多數(shù)報(bào)道的Ru基催化劑制備步驟復(fù)雜,在堿性溶液中OER過程中存在嚴(yán)重的過氧化和溶解現(xiàn)象,在酸性環(huán)境中存在較高的HER過電位,難以實(shí)際應(yīng)用。因此,設(shè)計(jì)新的Ru基電催化劑來解決這些問題是非常重要的。成果介紹北京科技大學(xué)陳昕、清華大學(xué)陳晨、李亞棟院士等人成功地通過水熱過程、將單原子Co嵌入到RuO2球中(記為Co-SAC/RuO2),并通過XAS、AC-STEM和DFT計(jì)算對(duì)RuO2球中的單原子Co進(jìn)行了確認(rèn)。Co與RuO2的結(jié)合顯著提高了其對(duì)OER和HER的效率,所得到的催化劑在1 M KOH中、在10 mA/cm2處OER過電位僅為200 mV,在0.5 M H2SO4中、在10 mA/cm2處HER過電位僅為45 mV。在20小時(shí)的連續(xù)測(cè)試中,該催化劑的性能沒有發(fā)生任何顯著變化。單原子Co調(diào)制策略不僅大大緩解了堿性O(shè)ER條件下RuO2的穩(wěn)定性問題,而且顯著提高了酸性O(shè)ER條件下Ru基電催化劑的HER活性。相關(guān)工作以Cobalt Single Atom Incorporated in Ruthenium Oxide Sphere: A Robust Bifunctional Electrocatalyst for HER and OER為題在Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表論文。圖文詳情
圖1. Co-SAC/RuO2的制備示意圖
圖2. Co-SAC/RuO2的結(jié)構(gòu)表征
圖3. XPS、XAS光譜表征、N2吸脫附曲線以及孔徑分布
圖4. 電催化HER性能
圖5. 電催化OER性能
圖6. DFT計(jì)算總結(jié)與展望綜上所述,本文通過簡(jiǎn)單的一鍋法、成功地制備了Co-SAC/RuO2,所制備的催化劑可作為一種高效的OER、HER雙功能電催化劑。與其他電催化劑相比,Ru在形態(tài)、介孔率和單原子Co調(diào)制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),從而大大提高了OER和HER活性。值得注意的是,在10 mA/cm2下,Co-SAC/RuO2的HER過電勢(shì)最低為45 mV,OER過電勢(shì)最低為200 mV,并且具有超高穩(wěn)定性。理論計(jì)算表明,引入單原子Co可顯著提高HER和OER活性。本文將為在貴金屬基納米材料中加入過渡金屬單原子提供更深入的見解,從而設(shè)計(jì)出更出色的電催化劑。文獻(xiàn)信息Cobalt Single Atom Incorporated in Ruthenium Oxide Sphere: A Robust Bifunctional Electrocatalyst for HER and OER,Angewandte Chemie International Edition,2021.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202114951