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电解水制氢作为一种高效、环保和可大规模制备氢气的应用技术,符合碳减排和碳中和的发展需求,已受到人们的广泛关注。而电解水制氢技术的关键在于设计高效的催化剂降低反应能耗。其中,钌(Ru)具有与铂(Pt)金属类似的金属-氢结合能,且其价格仅有Pt的4%,具有广阔的应用前景。因此,如何设计低含量Ru的高效析氢电催化剂将是当前的研究焦点之一。 近日,西安交通大学的王兰兰博士和西北工业大学张健教授课题组合作,以Mo@MoOx纳米丝作为载体,采用浸渍和热解法将Ru锚定于纳米丝表面(Ru-Mo@MoOx)作为碱性介质中的析氢(HER)催化剂。结果表明,Mo纳米丝核表面的氧化钼壳成功锚定Ru金属(0.24 wt%),且Ru元素均匀分布于纳米丝表面。此外,XPS结果也表明Ru-Mo@MoOx中Ru的价态为0~+4价,表明形成Ru-O-Mo结构。
图1. a)Mo-Mo@MoOx纳米丝和b)Ru-Mo@MoOx纳米丝的SEM图;Ru-Mo@MoOx的c)TEM图,d)高倍数的TEM图,e-h)HR-TEM图,i-l)HAADF-STEM图和相应的元素面扫描图。 图2. a)Mo@MoOx和Ru-Mo@MoOx纳米丝的XPS全谱图;b)Ru-C、RuO2和Ru-Mo@MoOx纳米丝的Ru 3p的高分辨率XPS谱图。 负载Ru后的Mo@MoOx纳米丝可直接作为自支撑电极用于碱性析氢反应,Ru的引入大幅度提高了载体的析氢性能。当获得10 mA cm-2电流密度时,HER过电位仅为16 mV,优于商业的Pt-C、Ru-C和先前报道的大多数Ru基催化剂的HER性能。而且Ru-Mo@MoOx催化剂具有极好的Tafel斜率(~30 mV dec-1)、电化学阻抗(2.1 Ω)和较好的长期稳定性(~100 h)。Ru-Mo@MoOx催化剂较好的HER性能得益于载体对Ru金属的电子调控作用(优化吸附和水解离能力)、较好的电荷传输和传质效率。该工作不仅为设计合成高效稳定的Ru基催化剂提供了新颖的策略,而且也为金属氧化物载体调控金属材料的电催化性能提供了思路。 图3. a) 不同催化剂的极化曲线,b) 起始电位、10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度下的过电位对比图,c)Tafel斜率曲线;d)Ru-Mo@MoOx催化剂与先前报道的Ru基催化剂HER性能的对比;e)EIS测试;f)长期稳定性测试。 论文信息 Ru anchored on Mo@MoOx nanowires as self-supported electrocatalysts for efficient hydrogen production in alkaline media 文章第一作者为西安交通大学王兰兰博士。 Lanlan Wang, Zhengpeng Liu, Prof. Jian Zhang ChemNanoMat DOI: 10.1002/cnma.202200309
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