近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組（05T6組）鄧德會研究員團隊在酸性電解水析氧催化劑研究中取得新進展，發(fā)現(xiàn)二氧化釕（RuO2）和石墨烯界面處的釕中心可以顯著提升RuO2基催化劑在酸性電解水析氧反應中的活性和穩(wěn)定性，該工作為設計和制備高效、穩(wěn)定的酸性電解水析氧催化劑研究提供了新思路。
氫能作為一種清潔、高效和可再生的綠色能源，被視為21世紀最有潛力的清潔能源。基于質(zhì)子交換膜的酸性電解水制氫技術具有效率高、產(chǎn)氫純度高、能耗低等特點，被認為是可連續(xù)生產(chǎn)高純氫氣最有前景的技術之一。然而其陽極的析氧反應受四電子轉(zhuǎn)移過程和動力學惰性的限制，成了電解水制氫的瓶頸。迄今為止，RuO2是極少數(shù)能在酸性條件下催化電解水析氧反應的催化劑。然而，該析氧反應過程中所伴隨的RuO2過氧化生成RuO4而腐蝕溶解的過程，使得RuO2催化劑在酸性電解水析氧反應中難以長時間保持高的反應活性。因此，開發(fā)新的策略來同時實現(xiàn)高活性和高穩(wěn)定性的RuO2基催化劑的制備具有重要的研究意義，但卻極具挑戰(zhàn)。
界面釕活性中心高效催化酸性電解水析氧反應
鄧德會團隊在長期深入研究二維材料限域過渡金屬催化電解水的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, doi: 10.1002/anie.202003484; Nano Energy, 2020, 72, 104700; Nano Energy, 2019, 61, 611; Nano Energy, 2018, 52, 494; Nat. Commun., 2017, 8, 14430; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 123; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2100; Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594; Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1919），通過精確構筑RuO2和石墨烯的界面來提升RuO2基催化劑在酸性電解水析氧反應中的活性和穩(wěn)定性。基于該策略所制備的催化劑表現(xiàn)出優(yōu)于商品RuO2的電催化活性和穩(wěn)定性，在10 mA cm-2電流密度下，過電位僅為227 mV，低于商品RuO2所需的290 mV過電位，可以穩(wěn)定運行超過24小時，其穩(wěn)定性遠高于商品RuO2催化劑。同時，該團隊與中科院山西煤炭化學研究所的任鵬舉博士合作，結(jié)合密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，RuO2和石墨烯界面上的Ru位點可以打破吸附態(tài)物種HOO*和HO*之間的線性關系，降低整個反應決速步的反應能壘，進而提高電解水析氧的反應活性。此外，石墨烯向RuO2表面轉(zhuǎn)移的電子可以提高RuO2的抗氧化和抗腐蝕能力。因此，石墨烯和RuO2界面處的Ru中心不僅可以增強RuO2催化析氧反應的活性，而且可以有效提升其穩(wěn)定性。
相關研究成果發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。上述工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目、教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心（2011.iChEM）項目和國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃項目的資助。（文/圖 崔曉菊、高鶴華）
