Small:N,P共掺杂碳基底上合成独特的RuO₂-RuP₂/Ru异质结用于全pH范围内高效析氢

[研究背景]

H2作为一种能量密度高和零碳污染排放的能源载体,其能够有效减少对化石燃料的依赖,具有巨大的潜在开发价值。电解水制氢被认为是大规模产氢的最绿色且有效的途径。目前,贵金属Pt基材料因其最优的氢吸附自由能,被认为是目前最高效的析氢催化剂,然而,铂基材料在非酸性介质中的高成本、稀缺性和低稳定性阻碍了其在实际大规模制氢中的应用。因此,开发全pH范围内高效且易于获得的催化剂越来越受到科学界的关注。

[成果介绍]

近日,青岛科技大学王磊教授与吴则星副教授介绍了由HMT配合物前驱体合成N、P共掺杂碳负载的具有独特异质结构的RuO2-RuP2/Ru催化剂材料,实现全pH范围内的高效析氢。在该工作中,同时进行热解和磷化产生RuO2、RuP2和Ru三相共存的独特异质结构,生成的RuO2-RuP2/Ru可以高度分散在自支撑的N、P共掺杂碳基底上。合理的构建策略为获得高效的全pH范围的通用电化学储能和转化催化剂开辟了途径。

[图文导读]

要点一:RuO2-RuP2/Ru独特异质结构的制备与表征

该工作通过简单的两步法制备,首先类似合成M-HMT(M=Cu、Co、Ni),HMT和RuCl3在水溶液中反应获得前驱体Ru-HMT-P,将其与磷酸三聚氰胺充分研磨后高温煅烧,成功合成异质结构催化剂Ru-HMT-MP-7,该方法简单快速且安全可靠。

图1. Ru-HMT-MP-7的合成示意图

如图2所示,XRD图验证了Ru-HMT-MP-7催化剂材料是含有RuP2、RuO2和Ru的三相复合材料,TEM图则证实了超薄碳纳米片的成功形成,同时进行热解和磷化,生成了大量的纳米颗粒,并均匀分布在超薄碳纳米片上。EDS mapping图显示了Ru、P、N、C和O元素在Ru-HMT-MP-7催化剂材料中的均匀分布。

图2. RuO2-RuP2/Ru独特异质结构的物理表征

要点二:碱性条件下RuO2-RuP2/Ru出色的HER催化活性和稳定性

通过电化学测试结果得知,RuO2-RuP2/Ru在1.0 M KOH介质中具有优异的催化活性,在电流密度为10 mA cm−2下只需要33 mV的过电位,明显优于商业Pt/C。多步电压和恒电位测试都表明RuO2-RuP2/Ru具有出色的稳定性。

图3. 在1.0 M KOH介质中的析氢性能及稳定性

要点三:酸性和中性条件下RuO2-RuP2/Ru出色的HER催化活性和稳定性

除了在碱性条件下具有优异的析氢性能外,RuO2-RuP2/Ru在酸性和中性条件下也具有优异的催化活性,在电流密度为10 mA cm−2下分别需要29 mV和86 mV的过电位,且表现出较好的稳定性。

图4. 在0.5 M H2SO4介质中的析氢性能及稳定性

图5. 在1.0 M PBS介质中的析氢性能及稳定性

要点四:全水解性能测试

鉴于Ru-HMT-MP-7在碱性电解质中优异的HER性能,在1 M KOH溶液中以该催化剂材料作为阴极,以商业泡沫NiFe作为阳极以驱动全水解,其仅需要1.50 V的电位就可以达到10 mA cm-2,明显优于Pt/C和RuO2组成的电解槽,且在全水解过程中也表现出显著的稳定性。同时,该所组成的电解池也可以与其他报道的电催化剂相媲美。斯特林发动机是一种可以由可持续能源驱动的发电机,如太阳能、生物质能和地热能,可以看到在电极-电解质界面产生大量气泡,证明所设计的电催化剂具有大规模制氢实际应用的潜力。

图6. 在1.0 M KOH介质中的全水解性能测试及稳定性

[作者简介]

吴则星副教授简介:青岛科技大学化学与分子工程学院副教授,硕士生导师,主要研究方向为低贵/非贵金属纳米材料的可控制备及在能源转换和存储中的应用等。已在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, J. Mater. Chem. A, Sci. China Mater., Chin. J. Catal.等杂志发表论文100余篇,主持国家自然科学基金和山东省基金等5项。

王磊教授简介:山东省杰青,泰山学者青年专家,青岛科技大学崂山学者,博士生导师。长期从事绿色能源相关领域研究,已在中国科学、科学通报 、Nat. Commun.,Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Aav. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Storage Mater., Nano Energy, Adv. Sci., Nano Lett., ACS Cent. Sci., Appl. Catal. B: Environ.等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇,其中通讯作者影响因子大于10.0的论文六十余篇。主持国家级和省部级项目十余项,首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学奖共六项。

论文信息:

Heterostructure of RuO2-RuP2/Ru Derived from HMT based Coordination Polymers as Superior pH-Universal Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction

Ying Zhao, Xiaoyin Zhang, Yuxiao Gao, Zhi Chen, Zhenjiang Li, Tianyi Ma, Zexing Wu*, Lei Wang*, Shouhua Feng

Small

DOI:10.1002/smll.202105168

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202105168