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?鄭大AFM: 構建fcc相Ru-Ni納米粒子,高效電催化析氫

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釕(Ru)具有比鉑(Pt)更高的儲量和中等的氫結合能,在HER電催化方面是一種很有前途的催化劑。與單金屬Ru催化劑相比,Ru基雙金屬催化劑的相工程研究具有很大的挑戰性。與外源金屬合金化可以調節主體貴金屬的電子結構,改善相應的電催化性能,這種方法已被證明在優化各種電催化過程中廣泛有效。
然而,金屬離子之間的不同還原速率對精確控制RuM (M=Cu、Pt和Ir等)晶相帶來不可避免的挑戰。因此,RuM雙金屬催化劑的相調節顯示出很大的潛力,進一步研究Ru基雙金屬催化劑的晶相工程具有重要意義。
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近日,鄭州大學郭海中高晗等受納米材料相工程的啟發,開發了一種面心立方(fcc)晶體相RuNi (NPs) (fcc-RuNi)。實驗結果表明,在堿性條件下,fcc-RuNi催化劑僅需16 mV的HER過電位就能達到10 mA cm?2的電流密度,Tafel斜率為38 mV dec?1,性能優于f/h-RuNi (40 mV,51 mV dec?1)、Pt/C (36 mV,49 mV dec?1)和Ru/C(49 mV,57 mV dec?1)催化劑。
此外,fcc-RuNi在10 mA cm?2電流密度下連續運行20小時沒有發生明顯的活性衰減,且反應后材料的形貌和結構仍保持良好,顯示出優異的反應穩定性。
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結合實驗表征和理論計算,證實了相工程、Ru-Ni合金化和結構調制協同提升HER電催化性能。具體而言,fcc-RuNi催化劑的富Ru殼層包圍富Ni核心核殼結構的自發形成增加Ru的表面暴露,有利于HER反應的活化,促進了Ru的利用;其次,由于Ni的晶格比Ru小,壓縮Ru殼層可以優化中間體的吸附/解吸,進而加速HER反應動力學。
總的來說,該項研究在晶相工程的基礎上,提出了一種合理設計和合成納米催化劑的新方法,為電催化技術的進一步發展鋪平了道路。
Ruthenium–nickel nanoparticles with unconventional face-centered cubic crystal phase for highly active electrocatalytic hydrogen evolution. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202406259

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