侯軍剛教授Nature子刊,單原子催化劑助力電催化全水解

氫氣作為一種永續能源,是傳統化石燃料的替代品,可以緩解溫室氣體帶來的環境問題。電化學全解水是利用電催化劑製備氫燃料的有效途徑。現時Pt和Ir/Ru氧化物基催化劑是析氫反應和析氧反應的有效催化劑。但其成本高、穩定性差,限制了其大規模應用。囙此,製備高效、低成本的電催化劑至關重要。例如,基於Fe,Co,Ni,Zn和Mn的LDHs已經被廣泛研究為OER催化劑。

【文章資訊】

單原子催化劑助力電催化全水解

第一作者:翟潘龍,夏明月,吳運禎

通訊作者:侯軍剛

組織:大連理工大學

【研究背景】

氫氣作為一種永續能源,是傳統化石燃料的替代品,可以緩解溫室氣體帶來的環境問題。電化學全解水是利用電催化劑製備氫燃料的有效途徑。現時Pt和Ir/Ru氧化物基催化劑是析氫反應(HER)和析氧反應(OER)的有效催化劑。但其成本高、穩定性差,限制了其大規模應用。囙此,製備高效、低成本的電催化劑至關重要。

在各種資料中,含有不同金屬(如Co、Ni、Fe等)的二維過渡金屬基層狀雙氫氧化物(LDHs)具有獨特的層狀結構和豐富的活性位點,是很有前途的電催化劑。例如,基於Fe,Co,Ni,Zn和Mn的LDHs已經被廣泛研究為OER催化劑。

為了優化LDHs的催化活性,已經通過形貌調控、構築缺陷、電荷轉移等發展了不同的策略,然而,利用缺陷工程控制LDH活性位點的結構,並建立缺陷與電催化效能之間的相關性仍然是一個挑戰。

【文章簡介】

基於此,來自大連理工大學的侯軍剛教授在國際知名期刊Nature Communications上發表題為“Engineering single-atomic ruthenium catalytic sites on defective nickel-iron layered double hydroxide for overall water splitting”的文章。

該文章報導了利用簡單的方法合成了單原子釕穩定的、缺陷態的NiFe-LDH電催化劑。在HER中,合成的Ru1/D-NiFe LDH在達到電流密度為10 mA cm−2時過電位僅為18mV,由Ru1/D-NiFe LDH組裝的雙電極池在1.72 V的低電壓下達到500 mA cm−2的大電流密度。

圖1.合成方法及形貌表徵。

【本文要點】

要點一:實現在缺陷態NiFe LDH表面負載單原子

由於二維資料超薄厚度和高表面積,為穩定SAC提供了有利的平臺。二維資料錨定單原子是最大化OER活性的理想模型,同時可以降低載體上單原子的含量。

結合缺陷工程和單原子負載的二維層狀雙氫氧化物,可以合理地設計穩定在有缺陷的LDH的原子分散、活性單原子,從而在鹼性電解質中實現優异的整體水分解效能。

作者利用實用的方法合成了單原子釕穩定的、帶缺陷的NiFe-LDH催化劑,通過簡單的電沉積和隨後的蝕刻過程合成。球差校正透射電子顯微鏡和X射線吸收精細結構(XAFS)光譜分析表明成功合成了Ru單原子負載與缺陷態的NiFe LDH表面。

要點二:Ru1/D-NiFe LDH電催化析氫效能

在催化活性位點的局部配比特環境和缺陷的存在的精確調控下,Ru1/D-NiFe LDH在10 mA cm-2下為析氫反應提供了18 mV的超低過電位,超過了商業Pt/C催化劑。

在過電位為100 mV時,周轉率為7.66 s−1(比商業Pt/C催化劑高45倍)。該催化劑仍保持良好的效能,在10 mA cm-2的電流密度下過電位僅為189 mV。

受優异HER和OER效能的啟發,將其用於在鹼性介質中全解水,由Ru1/D-NiFe LDH組裝的雙電極池在1.72 V的低電壓下達到500 mA cm−2的工業電流密度。

圖2.析氫催化效能。

圖3.全水解催化效能。

要點三:理論計算對活性位點的確認

密度泛函理論(DFT)計算表明,Ru1/D-NiFe LDH優化了HER對氫吸附能的有利調節,表明Ru位點具有更有利的氫吸附焓,同時降低了產氫的熱力學勢壘。

在OER反應中Ru-O部分被認為活性位點,Ru1/D-NiFe LDH上Ru-O位點的速率决定步驟是OH*形成步驟。Ru-O位點的限速步驟的過電位降僅為0.38 eV,加速了OER動力學。

圖4.DFT理論計算。

【文章連結】

Engineering single-atomic ruthenium catalytic sites on defective nickel-iron layered double hydroxide for overall water splitting

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24828-9

原文刊載於【科學資料站】公眾號

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資料標籤: 原子 科普 化學反應
本文標題: 侯軍剛教授Nature子刊,單原子催化劑助力電催化全水解
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656049912125830
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