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?三單位聯(lián)合AEM：Co活化非晶Ru金屬烯實現(xiàn)高效電解水

由于對能源危機和全球變暖日益加劇的擔(dān)憂，探索化石燃料的替代能源勢在必行。目前，綠色氫由于其優(yōu)越的能量密度和燃燒產(chǎn)物的環(huán)境友好性，被廣泛認為是一種有吸引力的清潔燃料。其中，電解水制氫是一種有利于可再生能源轉(zhuǎn)換和儲存的策略，但這種清潔能源技術(shù)的效率和綠色氫的規(guī)?；a(chǎn)取決于開發(fā)成本低、性能高的電催化劑。

到目前為止，用于析氫反應(yīng)(HER)的Pt和用于析氧反應(yīng)(OER)的Ir/Ru基氧化物性能最為優(yōu)異，但貴金屬固有的稀缺性和較高的成本不可避免地限制了電解水的商業(yè)化。因此，通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計最大化貴金屬的原子利用效率、通過合金化/摻雜雜原子修飾催化劑電子結(jié)構(gòu)來提高催化劑的本征活性等已被廣泛研究。此外，制備雙功能電催化劑也非?？扇?，因為這可以直接降低制造和運行成本。

基于此，浙江海洋大學(xué)周英棠、臺灣同步輻射研究中心林彥谷和南洋理工大學(xué)Jong-Min Lee(共同通訊)等人報道了一種簡單的方法，用于構(gòu)建原子級薄的無定形RuM(M=Co，F(xiàn)e或Ni)雙金屬烯，并將其作為高性能的HER和OER電催化劑。

本文在N₂飽和的1 M KOH電解質(zhì)中，利用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系以及商業(yè)電催化劑(RuO₂和20wt% Pt/C)來研究RuM雙金屬烯的HER和OER電催化活性。測試后發(fā)現(xiàn)，在所有研究的催化劑中，RuCo雙金屬烯表現(xiàn)出最高的HER催化活性，從其起始電位和較低的過電位可以看出，其通過僅24.9 mV的過電位就可以達到10 mA cm^-2的電流密度，優(yōu)于RuFe(29.8 mV)，RuNi(53.12 mV)，Ru(54.4 mV)和20% Pt/C(41.6 mV)。

RuCo雙金屬烯除了具有優(yōu)異的堿性HER性能外，其還在N₂飽和的1 M KOH電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性，其達到10 mA cm^-2的電流密度的過電位僅為245 mV，這比RuNi(273 mV)、RuFe(324 mV)、Ru(279 mV)和商業(yè)RuO₂(329 mV)要低得多。考慮到RuCo雙金屬烯在堿性條件下具有較高的HER和OER活性，本文利用雙電極電解槽研究了該材料的全解水活性。

令人滿意的是，當(dāng)使用RuCo/NF進行全水解時，RuCo/NF||RuCo/NF僅需要1.492 V的電壓就可以達到10 mA cm^-2的電流密度，遠低于Pt/C||RuO₂(1.613 V)所需的電壓。更重要的是，在1.84 V電壓下，RuCo/NF可以達到250 mA cm^-2的高電流密度，而Pt/C||RuO₂則需要約2 V的電壓才能達到相同的電流密度。

本文的理論計算表明，Co和Ru在雙金屬烯結(jié)構(gòu)中的非晶原子排列有效地改變了催化劑的電子性質(zhì)和反應(yīng)能，從而提高了催化劑的催化活性。特別是RuCo雙金屬烯表現(xiàn)出較強的水吸附能和水解離能，活化能僅為0.22 eV。

此外，Co的電子協(xié)同作用使Ru的d帶中心上升，從而使得催化劑具有合適的H吸附自由能，進而加速了催化劑的HER過程。通過優(yōu)化的反應(yīng)熱力學(xué)和有利于活性中心快速再生的雙氧分子釋放，材料也表現(xiàn)出增強的OER活性。Operando XAS研究揭示了RuCo雙金屬烯在反應(yīng)條件下的協(xié)同多活性位點微動力學(xué)。

Co原子迅速結(jié)合^*OH，從而在HER中加速催化表面的水解離，同時在OER中也作為補充活性位點。同時，Ru表現(xiàn)出自適應(yīng)氧化還原過程，在HER條件下演變?yōu)榫哂胸S富電子密度的金屬態(tài)，有利于H^*吸附和脫附，并且還在電化學(xué)OER過程中演變?yōu)榫哂懈呋钚缘难趸瘧B(tài)。

由于具有良好的材料結(jié)構(gòu)，RuCo雙金屬烯表現(xiàn)出更好的全水解活性，顯著優(yōu)于商業(yè)催化劑?？傊?，本研究對釕基雙金屬烯的制備、電催化特性和結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系提供了深入的見解，并為進一步制備和合理設(shè)計用于能源應(yīng)用的高效電催化劑提供了有前景的途徑。

Activating Amorphous Ru Metallenes Through Co Integration for Enhanced Water Electrolysis, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202301119.

https://doi.org/10.1002/aenm.202301119.

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