Small Methods:原位生长的Ru/(Fe,Ni)(OH)2高效催化电解水制氢

目前,氢能被认为是继石油等不可再生化石能源之后被广泛釆用的新型可再生能源。其中电解水制氢被认为是制备高纯度氢气的有效方法,但工业大规模电解水制氢亟需发展廉价、高催化活性以及稳定的催化剂。金属Ru表现出与Pt相似的金属-氢成键能,但其价格仅为铂的三分之一,这使其有望替代Pt作为一种新型的析氢反应催化剂,但较弱的解离水的能力是仍然是限制其在碱性介质中本征活性的主要原因。

最近,来自中国华中科技大学申燕教授联合和美国休斯顿大学任志锋教授的研究团队报道了一种大电流密度电化学产氢的Ru/(Fe,Ni)(OH)2/NF催化剂,采用室温浸泡还原的方法成功的将金属Ru负载在具有高比表面积的(Fe,Ni)(OH)2/NF载体上[Ru/(Fe,Ni)(OH)2/NF]。该催化剂具有超亲水表面和高导电性的特点,其在1 M KOH介质中表现出优异的析氢性能,包括超低过电位(电流密度为1 A cm-2时过电位仅为142 mV)、较低的塔菲斜率(30 mV dec-1)以及较强的稳定性。此外,采用Ru/(Fe,Ni)(OH)2/NF和NiFe-LDH/NF分别作为阴极和阳极,组合成全电解水电解器在电流密度高达1 A cm-2 时所需的槽电压仅为1.75 V,持续电解20 h后仍能保持优异的水裂解性能。研究者利用密度泛函理论计算研究进一步阐述了Ru/(Fe,Ni)(OH)2优异的电催化活性机制:水分子在(Fe,Ni)(OH)2上的活化提供给Ru大量的Had物种,从而加速Ru/(Fe,Ni)(OH)2在碱性介质中的整个析氢反应过程。该研究成果提供了一种催化剂合成策略,即利用基底泡沫镍将Ru3+离子还原为金属Ru并直接负载在高比表面积的(Fe,Ni)(OH)2/NF载体上,这种方法合成的自支撑结构的催化剂既有利于传质,又能最大限度的暴露更多的活性位点,因此,该材料的简易制备方法以及优异的电催化性能有助于推动大电流密度下低成本电解水制氢的发展。相关研究成果以In Situ Growth of Ru Nanoparticles on (Fe,Ni)(OH)2 to Boost Hydrogen Evolution Activity at High Current Density in Alkaline Media”为题发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201900796)上。本文的第一作者是肖欣,通讯作者为申燕教授和任志锋教授。