由于缓慢的电极过程动力学，水电解制氢需要较高的能耗，极大地限制了其应用。这迫使人们开发能够有效加速全水解反应的电催化剂。然而，目前大多数过渡金属基催化剂在酸性和高氧化环境中不稳定，而且用途单一。因此，寻找在宽 pH 范围内具有快速析氢和析氧反应 (HER&OER) 动力学的稳定双功能催化剂成为研究热点。尽管Ru纳米粒子的金属-氢键强度与Pt相近且对含氢和含氧中间体均有良好的吸附能力, 但它们容易发生浸出和氧化失活, 特别是在进行酸性OER反应时。为此，我们设计并构建了一种适用于宽pH范围的双功能Ru@MoO(S)3纳米胶囊结构电催化剂，其在酸、碱介质中均表现出优异且几乎相同的全水解性能。
【工作介绍】
近日，武汉理工大学木士春教授课题组等人设计并构筑了一种宽pH范围内高效的双功能全水解催化剂Ru@MoO(S)3。该催化剂具有独特的纳米胶囊结构，胶囊结构中的“内胆”为Ru，超薄“外壳”为S调制的MoO3（MoO(S)3）。Ru作为高活性位点，在S阴离子的调制以及MoO(S)3壳层的封装下表现出优异的OER&HER双活性和稳定性，在酸、碱介质中均明显优于由商业Pt/C和RuO2组装的电解槽性能。该文章发表在国际能源领域顶级期刊Nano Energy上。武汉理工大学博士研究生陈钉、余若瀚以及硕士研究生吴杜兰为本文共同第一作者。
【内容表述】
图1. 合成示意图及目标样品Ru@MoO(S)3的微观结构。
如图1所示，首先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。接着，利用电镜技术对该催化材料的微观结构进行了解析，发现在胶囊结构中胶囊“内胆”为Ru纳米晶体，超薄“外壳”为MoO(S)3。Ru作为高活性位点有望在S阴离子的调制（优化电子结构，降低能量势垒）以及在MoO(S)3壳层封装下表现出突出的OER&HER双催化活性和稳定性。
图2. 全水解性能图。
一系列的电化学测试表明，得益于独特的纳米胶囊结构，Ru@MoO(S)3在1 M KOH和0.5 M H2SO4介质中均表现出优异的HER和OER活性及稳定性，且分别只需1.526和1.522 V槽电压即可有效驱动10 mA cm-2的全水解反应，显著超过了商业Pt/C和RuO2电极对的电解水性能。此外，排水法测得该全水解装置的法拉第效率接近100%（图2）。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，有利于降低实际电解水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借鉴。
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
作者简介
木士春教授 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。