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Epitaxially Grown Ru Clusters-Nickel Nitride Heterostructure Advances Water Electrolysis Kinetics in Alkaline and Seawater Media

EnergyEnvironmentalMaterials 2022-10-12 17:32 发表于河南

近日,武汉理工大学木士春教授、赵焱教授合作Energy & Environmental Materials上发表题为Epitaxially Grown Ru Clusters-Nickel Nitride Heterostructure Advances Water Electrolysis Kinetics in Alkaline and Seawater Media的研究型论文。

亮点

1. 密度泛函理论(DFT)结果揭示了外延型钌团簇-氮化镍(cRu-Ni3N)异质界面上对关键反应中间体优化的吸附强度,从而降低了对析氧(OER)及析氢反应(HER)的理论过电位,加快了反应动力学。

2. 利用六方密堆积型(hcp)钌(Ru)与氮化镍(Ni3N)晶格间的高度匹配,构筑了外延型cRu-Ni3N异质结构。

3. 得益于本征活性及反应机制的优化,所构筑的外延cRu-Ni3N异质结构在碱性介质中展现出优异的OER/HER活性及耐久性,并在碱性全解水、海水电解及光伏-产氢系统中展示出不俗的应用潜力。

引言

氢能是重要的清洁能源形式之一,而借助可再生电力电解水制氢是获取绿氢的有力手段。但目前电解水系统受到两极反应迟缓的动力学限制,需要持续供给高电压驱动,因此需要高效的电催化剂来加速电极反应。目前, Ru基催化剂对OER和HER反应均展示出很好的催化性能,有望在电解水系统中广泛使用。但Ru易发生团聚以及电化学氧化失活现象,如何有效抑制Ru的电化学失活已成为目前研究的重点。利用强金属-载体效应(SMSI)有望解决上述问题,并进一步增强本征活性。特别是借助外延型异质结构(如hcp型Ru和Ni3N)的强界面耦合效应来有效锚定负载金属,并调节其电子结构,以实现高效的电解水制氢催化。

文章简读

基于hcp型Ru与Ni3N两相晶格常数的相似性,从理论与实验的双重角度对钌团簇-氮化镍异质结构间的强耦合效应及电催化活性进行深入探究。

首先,DFT计算结果表明钌团簇与氮化镍基底有效耦合后,将导致界面上的电荷密度重排,导致复合模型的电子传导能力增强。此外,由于优化的电子结构,cRu-Ni3N模型对OER(*O → *OOH)及HER反应速率控制步骤(* → *H)的理论过电位显著降低,本征活性大大增强

1. cRu-Ni3N外延异质结构的(a)差分电荷密度、(b)态密度,以及对(c)OER、(d)HER反应路径的吉布斯自由能分析。

       通过在Ni3N纳米片阵列上锚定Ru团簇,获得了cRu-Ni3N异质结构。利用一系列光谱学手段验证了材料物相以及界面的电子交互作用。特别是从球差电镜结果中直接观测到了在Ni3N基底上附生的Ru团簇,从而验证了cRu-Ni3N外延异质结构的成功构筑。

2. (a)cRu-Ni3N异质结构的合成示意图;cRu-Ni3N的(b)XRD谱图、(c-d)XPS拟合分峰、(e-g)电镜表征结果。

继而对cRu-Ni3N异质结构的电催化析氧及析氢性能进行探究。结果表明,cRu-Ni3N在碱性介质中展示出较商业催化剂(RuO2和Pt/C)更出色的催化活性。具体地,对OER反应而言,cRu-Ni3N仅需226 mV的过电势即可达到20 mA cm-2的电流密度,并展示出优异的反应动力学机制及长循环稳定性。而对HER反应而言,其仅需32 mV的过电势即可达到10 mA cm-2电流密度。

3. (a-c)cRu-Ni3N异质结构的电催化OER活性、Tafel斜率、稳定性测试;(d-e)cRu-Ni3N的HER催化性能展示。

进一步展示了cRu-Ni3N异质结构在一系列实际电化学装置中的应用潜力,包括碱性全解水、海水电解以及光伏-产氢系统。cRu-Ni3N电极均展示出优异的性能表现,有望成为商业催化剂的理想替代品。

4. cRu-Ni3N异质结构在(a-c)传统电解水、(d-f)海水电解及(g)光伏-产氢系统中的应用展示。

文章链接

Jiawei Zhu, Ruihu Lu, Wenjie Shi, Lei Gong, Ding Chen, Pengyan Wang, Lei Chen, Jinsong Wu, Shichun Mu*, and Yan Zhao*. Epitaxially Grown Ru Clusters-Nickel Nitride Heterostructure Advances Water Electrolysis Kinetics in Alkaline and Seawater MediaEnergy Environ. Mater. 2022. DOI: 10.1002/eem2.12318

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12318

作者简介

木士春,武汉理工大学首席教授,博士生导师,国家级高层次人才。长期致力于电解水制氢/质子交换膜燃料电池催化剂及锂离子电池关键材料研究。以第一作者或通讯作者身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国内外期刊上发表270余篇高质量学术论文