近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(huì)研究員團(tuán)隊(duì)在酸性電解水析氧催化劑研究中取得新進(jìn)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(yīng)中的活性和穩(wěn)定性，該工作為設(shè)計(jì)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(jì)最有潛力的清潔能源?；谫|(zhì)子交換膜的酸性電解水制氫技術(shù)具有效率高、產(chǎn)氫純度高、能耗低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是可連續(xù)生產(chǎn)高純氫氣最有前景的技術(shù)之一。然而其陽(yáng)極的析氧反應(yīng)受四電子轉(zhuǎn)移過(guò)程和動(dòng)力學(xué)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(yīng)的催化劑。然而，該析氧反應(yīng)過(guò)程中所伴隨的RuO2過(guò)氧化生成RuO4而腐蝕溶解的過(guò)程，使得RuO2催化劑在酸性電解水析氧反應(yīng)中難以長(zhǎng)時(shí)間保持高的反應(yīng)活性。因此，開(kāi)發(fā)新的策略來(lái)同時(shí)實(shí)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(yīng)
鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期深入研究二維材料限域過(guò)渡金屬催化電解水的基礎(chǔ)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(guò)精確構(gòu)筑RuO2和石墨烯的界面來(lái)提升RuO2基催化劑在酸性電解水析氧反應(yīng)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(guò)電位僅為227 mV，低于商品RuO2所需的290 mV過(guò)電位，可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)24小時(shí)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于商品RuO2催化劑。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)與中科院山西煤炭化學(xué)研究所的任鵬舉博士合作，結(jié)合密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，RuO2和石墨烯界面上的Ru位點(diǎn)可以打破吸附態(tài)物種HOO*和HO*之間的線性關(guān)系，降低整個(gè)反應(yīng)決速步的反應(yīng)能壘，進(jìn)而提高電解水析氧的反應(yīng)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(qiáng)RuO2催化析氧反應(yīng)的活性，而且可以有效提升其穩(wěn)定性。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。上述工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011.iChEM）項(xiàng)目和國(guó)家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目的資助。（文/圖 崔曉菊、高鶴華）
