Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media-Shichun Mu's group

在实际的连续全水解过程中，质子浓度不可避免的变化会导致催化活性的降低和能量的损失。因此，理想的电解水制氢催化剂应同时适应不同pH条件下的OER和HER催化机制。这对降低实际水电解系统的复杂性和成本至关重要。然而，由于大多数过渡金属基催化剂在酸性和高氧化环境下不稳定且用途单一，目前只能用于碱性环境。因此，设计在宽pH范围内具有高OER&HER动力学的稳定双功能催化剂具有极大的挑战性。

为此，如图1，我们设计和构筑了一种双功能Ru@MoO(S)₃纳米胶囊结构电催化剂。在该纳米胶囊结构中，活性钌（Ru）纳米颗粒被封装于硫（S）离子调制的氧化钼（MoO₃）壳内。在宽pH范围内，构筑的催化剂展现了优异的电催化性能。

图1. 文章摘要图。

文章简介

本文中，来自武汉理工大学的木士春等教授在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media”的观点文章。该观点文章表明，通过将Ru纳米颗粒封装在S调制的氧化钼（MoO(S)₃）壳内形成的独特纳米胶囊结构，不仅保留了Ru固有的电催化活性和快速的传质过程，同时防止了其过快的电氧化，从而保证了催化剂的稳定性。

本文要点

要点一：合理的结构设计

如图2所示，采用水包油法一步水热反应制备了具有褶皱表面的单分散球形Mo基前驱体，再经过载Ru以及后续的高温退火获得了具有独特胶囊结构的目标样品Ru@MoO(S)₃。其中胶囊“内胆”为Ru纳米晶体，超薄“外壳”为S调制的MoO₃（MoO(S)₃）。

Ru作为高活性位点，在MoO(S)₃壳层封装下表现出突出的OER&HER双催化活性；而封装后的Ru在MoO(S)₃外壳的保护下可以有效避免在OER过程中被快速氧化，保持良好的稳定性。此外，硫阴离子部分取代氧产生的催化剂表面进一步调制了催化剂的电子结构，作为活性位点能够有效降低能量势垒，提高材料的电催化性能。

图2. 合成示意图及目标样品Ru@MoO(S)₃的微观结构。

要点二：在酸性和碱性介质中展现几乎相同的全水解能力

得益于独特的纳米胶囊结构，如图3所示，Ru@MoO(S)₃分别驱动0.5 M H₂SO₄和1 M KOH电解液中的全水解反应只需要1.522和1.526 V的槽电压就可以提供10 mA cm^-2的电流密度，且表现出不俗的稳定性。此外，该全水解装置的法拉第效率接近100%。这是首次报道一种催化剂在酸性和碱性介质中具有几乎相同的电解水活性，并且显著超过了商业Pt/C和RuO₂电极对的电解水活性。

图3. 全水解性能图。

要点三：前瞻

适应电解水过程中质子浓度变化的OER&HER双功能电催化剂的构筑将有利于降低实际水电解系统的复杂性和成本，为先进的酸性质子交换膜和碱性阴离子交换电解槽的开发提供广阔的前景。该研究为设计宽pH范围内水电解的双功能电催化剂提供了新的思路，对电解水制氢技术的发展具有重要的指导意义。

通讯作者简介

木士春教授 简介：武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于质子交换膜燃电池和电解水催化剂研究。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国内外期刊上发表260余篇高质量学术论文。

文章链接

Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107445