陈钉等 CBG资讯 2024-05-14 08:51 江苏

导语 

提高钌（Ru）基催化剂在酸性环境中的活性和稳定性是其取代昂贵的铱(Ir)基催化剂的关键。然而，迄今为止，虽然已采用了多种策略，包括形貌和结构调控，晶格掺杂，合金化、缺陷工程等，但Ru基催化剂的性能仍有待进一步提高。近期，武汉理工大学木士春教授团队在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上发表文章，报道了一种独特的双连续RuO₂纳米反应器。该纳米反应器由连续的多尺度缺陷RuO₂纳米晶体和内部孔隙构成，可以高效、稳定地驱动酸性析氧反应（OER），且在PEMWE和集成再生燃料电池系统中展现出广阔的应用前景。

前沿科学成果  

双连续RuO₂纳米反应器高效驱动酸性水氧化

作者首先利用液态熔盐触发钌电子特性和局部微环境的双重调制，成功构建了一个由Ru超细纳米晶体和内部孔隙连续构成的双连续纳米反应器（图1），并通过先进的三维重构断层扫描技术得到佐证（图2）。这种独特的结构不仅为催化过程提供了丰富的活性位点和反应区域，而且通过空腔限制效应增强了电子传递。

图1. 催化剂的合成和结构表征（来源：Nature communications）

图2. 三维重构断层扫描表征（来源：Nature Communications） 

接着，原子和局域电子结构研究表明（图3），超细RuO₂纳米晶体中存在丰富的Ru空位 (V_Ru)、氧空位 (V_O)、粒内/粒间边界等从点到面的多尺度缺陷。这些缺陷赋予RuO₂大量的低配位Ru原子，削弱了Ru-O相互作用，极大地抑制了晶格氧的氧化和高价Ru的溶解。

图3. 催化剂的原子和局域电子结构（来源：Nature Communications） 

从电化学测试结果来看（图4），该多尺度缺陷RuO₂双连续纳米反应器（MD-RuO₂-BN）在酸性介质中获得了优异的OER活性（196 mV @ 10 mA cm^-2）和较低的降解率（1.2 mV h^-1）。在自组装的PEMWE中，MD-RuO₂-BN同样表现出优于商业RuO₂的活性和稳定性。此外，氢-水一体化循环供电系统的成功示范无疑将进一步推动PEMWE技术的发展。

图4. 催化剂的电化学性能（来源：Nature Communications） 

最后，密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼分析进一步揭示了MD-RuO₂-BN的电子结构和析氧反应机理。除了微观结构优化外，多尺度缺陷的协同作用和受保护的活性钌位点被分别认为是催化剂活性和稳定性提高的主要原因。

图5. DFT计算和原位拉曼光谱（来源：Nature Communications）

该工作以“Bicontinuous RuO₂ nanoreactors for acidic water oxidation”为题发表在Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4）上。论文第一作者为武汉理工大学2021级博士研究生陈钉等，通讯作者为武汉理工大学木士春教授。研究工作得到了国家自然科学基金（22075223、22379117）的大力资助。

木士春老师团队简介

木士春，武汉理工大学学科首席教授，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制氢催化材料及器件研发。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等国内外权威期刊上发表300余篇高质量学术论文。详见团队主页http://shichunmu.polymer.cn/。

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