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Adv. Sci.：1+1>2! Ru-W對(duì)中Ru和W位點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)電化學(xué)水分解制氫

可再生電力驅(qū)動(dòng)的電解水技術(shù)為生產(chǎn)綠色氫氣提供了一種成本效益高且簡(jiǎn)便的方法，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來碳中和的關(guān)鍵。在酸性電解液中進(jìn)行析氫反應(yīng)(HER)需要使用貴金屬基陽極催化劑和昂貴的質(zhì)子交換膜，這限制了酸性HER的大規(guī)模應(yīng)用。

因此，堿性析氫反應(yīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。近年來，Pt基材料是高效析氫的基準(zhǔn)材料，但其稀缺性限制了其實(shí)際應(yīng)用。Ru作為Pt族金屬之一，在高效析氫催化劑的開發(fā)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

然而，氫和羥基物種在Ru物種上的強(qiáng)吸附阻礙了進(jìn)一步的水解離、氫解吸和結(jié)合過程，嚴(yán)重影響了HER活性。因此，迫切需要選擇性地調(diào)控Ru的電子結(jié)構(gòu)來微調(diào)氫和羥基物種的吸附和脫附能力以實(shí)現(xiàn)高效電催化堿性HER。

基于此，西北大學(xué)屈云騰、冷坤岳和深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)李曉琳等采用晶格限域策略，通過陽離子交換構(gòu)建了具有Ru-W對(duì)的Ru單原子摻雜WO₂納米顆粒(Ru-W/WO₂-800)。

結(jié)果表明，Ru-W/WO₂-800表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能，其在堿性條件下達(dá)到10 mA cm^?2電流密度時(shí)的過電位僅為11 mV，Tafel斜率為31.3 mV dec^?1，以及在50 mV處的質(zhì)量活性高達(dá)5863 mA mg_Ru^?1。同時(shí)，該催化劑在250 mA cm^?2電流密度下連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)而沒有發(fā)生明顯的活性衰減，并且反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，證明其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，Ru-W/WO₂-800中的Ru位點(diǎn)的E_absOH高于Ru₁/WO₂-800中的Ru位點(diǎn)和Ru SAC中的Ru位點(diǎn)，表明Ru-W對(duì)的存在減弱了Ru-OH相互作用。同時(shí)，Ru-W/WO₂-800中W位上和WO₂-800中W位上的W-OH之間的強(qiáng)相互作用進(jìn)一步證明了Ru-W/WO₂-800中Ru-W雙原子位點(diǎn)上OH吸附的優(yōu)化。

此外，Ru-W/WO₂-800還具有優(yōu)越的水解離能，其中*H吸附在Ru位點(diǎn)，*OH吸附在W位點(diǎn)。因此，鍵合在WO₂晶格中的Ru-W對(duì)位點(diǎn)為Ru-W/WO₂-800催化HER提供了優(yōu)勢(shì)：1.快速的OH轉(zhuǎn)移性能；2.優(yōu)越的水解能力；3.優(yōu)化的氫吸附能，W位點(diǎn)和Ru位點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)了HER活性。

Ru–W Pair Sites Enabling the Ensemble Catalysis for Efficient Hydrogen Evolution. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202303110

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Adv. Sci.：1+1>2! Ru-W對(duì)中Ru和W位點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)電化學(xué)水分解制氫

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