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蘇大Nature子刊:帶有氧化電荷的Ru物種立大功,顯著提高Ru0.5Ir0.5O2酸性OER活性

陽極析氧反應(OER)緩慢的動力學嚴重限制了酸性條件下電解水制氫的效率。Ir基氧化物,Ru基氧化物及其衍生物具有足夠的耐腐蝕性能,能夠承受OER苛刻的酸腐蝕和氧化環境。
然而,Ir的稀缺性和相對較低的OER活性不足以滿足工業要求,而Ru基催化劑由于在OER過程中形成可溶性Ru氧化物(如RuO4)而通常表現出較差的穩定性。
目前,RuIr雙金屬氧化物可能是能夠有效催化酸性OER的先進催化劑,其中,RuIr雙金屬氧化物中Ru表現出強烈的氧化態,并且Ru的氧化還原可能受到RuIr雙金屬氧化物體系中Ir物種的影響。
為了實現高效穩定催化酸性OER,對RuIr雙金屬氧化物的設計必須滿足兩個方面:一個是Ru活性中心穩定的高氧化態,另一個是防止Ru物種被過度氧化而溶解和失活。
蘇大Nature子刊:帶有氧化電荷的Ru物種立大功,顯著提高Ru0.5Ir0.5O2酸性OER活性
蘇大Nature子刊:帶有氧化電荷的Ru物種立大功,顯著提高Ru0.5Ir0.5O2酸性OER活性
基于此,蘇州大學康振輝、劉陽、邵名望程濤等通過兩步熔融堿法成功合成了二維Ru0.5Ir0.5O2取代固溶體,并研究了其催化酸性OER的性能。
結果表明,穩定且帶有氧化電荷的Ru物種顯著提高了二維RuIr氧化物的OER活性,最優的Ru0.5Ir0.5O2催化劑在酸性介質中電流密度達到10 mA cm?2時的OER過電位僅為151 mV,并且其在10 mA cm?2電流密度下連續穩定運行超過618.3 h。
此外,Ru0.5Ir0.5O2催化劑在1.44 VRHE下的質量活性和轉換頻率(TOF)分別為730.4 A gIr+Ru?1和6.84 s?1。
蘇大Nature子刊:帶有氧化電荷的Ru物種立大功,顯著提高Ru0.5Ir0.5O2酸性OER活性
蘇大Nature子刊:帶有氧化電荷的Ru物種立大功,顯著提高Ru0.5Ir0.5O2酸性OER活性
脈沖電壓感應電流(PVC)、循環伏安(CV)、密度泛函理論(DFT)計算和瞬態光電壓(TPV)測試結果表明,在較低的外加電壓下,Ru0.5Ir0.5O2能夠形成更多的高價態Ru活性位點,且Ru0.5Ir0.5O2中儲存的氧化電荷量顯著影響其析氧性能;同時,除了具有二維結構特征外,Ru0.5Ir0.5O2中的Ru-O-Ir局部結構存在強烈的相互作用,這種相互作用導致Ru-O-Ir具有高穩定性,阻止了活性位點的過度氧化溶解,使得Ru0.5Ir0.5O2催化劑能夠高效穩定催化酸性OER。
Stable and Oxidative Charged Ru Enhance the Acidic Oxygen Evolution Reaction Activity in Two-dimensional Ruthenium-iridium Oxide. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41036-9

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