Advanced Functional Materials:揭示钌单原子位点作为双功能活性中心在电解水析氢和水合肼氧化耦合体系的催化机制

缓慢的氧气析出反应(OER)速率是影响电催化水分解制氢(HER)效率的重要因素。而选择电位较低且具有高附加值的氧化反应代替OER可从根本上解决制氢槽电压过高的问题。其中,采用具有较低理论电位的水合肼氧化反应(HzOR)代替OER能够大幅度降低制氢能耗和成本。水合肼又称水合联氨,是一种无色发烟液体,具有极强还原性。水合肼广泛用作发电厂锅炉水的还原剂,在制备、使用和处理时会对人体造成伤害并且对环境有污染。电化学HzOR是一种环境友好的降解肼污染物方法,该方法不需要使用芬顿氧化剂和复杂分离步骤。因此将这种电化学HzOR技术与HER耦合能够进行污水处理的同时实现低能耗析氢反应,达到“一石二鸟”的目的。但到目前为止,对同时驱动HER和HzOR的双功能催化剂研究仍旧是一个挑战。

西北大学马海霞、王尧宇教授课题组与北京化工大学徐明副教授课题组通过恒电流沉积技术将钌单原子(Ru SAs)锚定在二硫化钨(WS2)缺陷内,该催化剂生长在三维导电碳布上(CC),构建了CC@WS2/Ru SAs自支撑复合催化剂。Ru金属相比于商业Pt金属具有相近氢原子成键能力(~65 kcal mol1)、良好的肼脱氢能力以及更为低廉的成本。当金属以原子形式分散时能够暴露将近100%活性位点,这是金属纳米颗粒无法达到的。所制备的单原子催化剂具有出众的催化活性,其最大化原子利用率能够达到最高活性平台。

将CC@WS2/Ru SAs同时用作HER和HzOR电极并组装成耦合体系进行电化学测试发现在10 mA cm2电流密度下表现出极低的15.4 mV制氢槽电压,并且能够保持至少100小时而没有明显活性衰减。理论计算表明,WS2/Ru SAs中的Ru单原子位点对于碱性HER的水分子吸附/解离和HzOR中逐步脱氢过程都具有促进作用,因此能够作为双功能活性中心显著提升HzOR耦合HER的催化效率。

论文信息:

Elucidating the Critical Role of Ruthenium Single Atom Sites in Water Dissociation and Dehydrogenation Behaviors for Robust Hydrazine Oxidation-Boosted Alkaline Hydrogen Evolution

Jiachen Li, Yang Li, Jiaao Wang, Chi Zhang, Huijun Ma, Chenhui Zhu, Daidi Fan, Zhaoqi Guo, Ming Xu*, Yaoyu Wang*, Haixia Ma*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202109439

https://doi.org/10.1002/adfm.202109439