大碗 催化进展 2024-05-16 11:16 河南
第一作者：Ding Chen、Ruohan Yu、 Kesong Yu、Ruihu Lu
通讯作者：木士春
通讯单位：武汉理工大学研究背景和内容
提高钌基催化剂在酸性环境中的活性和稳定性，是取代昂贵的铱基材料作为质子交换膜水电解槽(PEMWEs)阳极催化剂的研究热点内容之一
武汉理工木士春团队设计了一种由多尺度富缺陷的RuO2纳米单体(MD-RuO2-BN)组成的双连续纳米反应器，并通过三维层析重建技术进行了验证
独特的双连续纳米反应器结构通过腔约束效应提供了丰富的活性位点和快速的传质能力。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价价Ru的溶解
研究要点
要点一：本研究首次利用液态熔盐触发钌电子特性和局部微环境的双重调制，并构建了以钌纳米晶体为基体的纳米反应器
通过三维层析重建技术，显示了由超细RuO2纳米单体组成的纳米反应器具有双连续结构，不仅为催化提供了丰富的活性位点和反应区域，而且通过空腔约束效应增强了质量和电子的传递
进一步深入表征分析表明，RuO2颗粒中存在空位和晶界等多尺度缺陷，改变了Ru的局部电子结构和配位环境，从而削弱了Ru-O相互作用
要点二：MD-RuO2-BN优化了电子结构和微观结构，在电化学测试中确实表现出良好的酸性OER性能。此外，作者还证明了一种以MD-RuO2-BN为阳极的高性能PEMWE，在电流密度为1 A cm?2的情况下输出1.64 V的极低电池电压。最后，密度泛函理论(DFT)计算证实了多尺度缺陷对增强RuO2活性和稳定性的协同作用
图1:催化剂的构造与结构表征。MD-RuO2-BN的制备及催化过程示意图。b、c MD-RuO2-BN的STEM图像。插图:单晶的EELS分析。d MD-RuO2-BN的STEM图谱及相应元素分布。e MD-RuO2-BN和C-RuO2的XRD谱图。f MD-RuO2-BN和C-RuO2的N2吸附-解吸等温线和孔径分布图。
图4:MD-RuO2-BN的催化性能MD-RuO2-BN、K-RuO2和C-RuO2的极化曲线、Tafel曲线和Nyquist图(a-c)。Nyquist图的高频区域用于确定溶液电阻(约9 Ω)进行iR校正。d OER恒流稳定性测试，无ir校正。典型的PEMWE器件(e)和MEA元件(f)的示意图。在80℃下测量的PEM电解槽的极化曲线(g)和随时间变化的电流密度曲线(h)，没有iR校正。(i)用PEMWE生产氢气来驱动氢燃料电池的演示。
参考文献：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