近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種具有本征缺陷結(jié)構(gòu)的氧化釕/石墨烯二維異質(zhì)結(jié)催化劑，實(shí)現(xiàn)了在全pH范圍內(nèi)高活性、高穩(wěn)定的電解水析氧。
電催化分解水在清潔能源體系中具有重要的意義。電解水反應(yīng)中的析氧反應(yīng)（OER）因其緩慢的動(dòng)力學(xué)特征成為制約電解水反應(yīng)整體效率的瓶頸；與此同時(shí)，電解水應(yīng)用有堿性電解槽和酸性電解槽，應(yīng)用環(huán)境比較苛刻。氧化釕是一種典型的酸性O(shè)ER催化劑，在堿性條件下活性較差。因此，開發(fā)有效的調(diào)控略策以同時(shí)提升氧化釕在酸性和堿性溶液中的電催化析氧活性具有重要的研究意義。
本征缺陷結(jié)構(gòu)二維催化劑示意圖 (a)、SEM圖 (b)、TEM圖 (c)和酸性與堿性溶液中的電催化析氧性能圖 (d)
氧化釕的OER活性與Ru位點(diǎn)的配位結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)具有氧缺位的RuO5結(jié)構(gòu)較完美氧化釕中的RuO6具有更優(yōu)越的OER活性，所以制造具有氧缺位的Ru位點(diǎn)是提升氧化釕OER活性的關(guān)鍵。此外，氧化釕較差的導(dǎo)電性也限制其催化活性。為了解決這些難題，該研究團(tuán)隊(duì)提出利用氧化石墨烯的氧團(tuán)簇限域氧化Ru前驅(qū)體，制備出具有本征氧缺位的氧化釕與石墨烯的二維異質(zhì)結(jié)高效催化劑。由于氧化石墨烯與Ru前驅(qū)體的強(qiáng)配位作用，該二維結(jié)構(gòu)具有9 nm的超薄厚度、125 m2 g-1的高比表面積和4歐姆級別的低電阻，并且同步輻射研究表明該催化劑具有本征的RuO5氧缺位結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流密度為10 mA cm-2時(shí)，該催化劑在酸性和堿性電解液中過電位僅為169 mV和175 mV，是目前報(bào)道的最優(yōu)越的全pH析氧電催化劑。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)本征的氧缺位RuO5結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)羥基的吸附并加速羥基的分解，進(jìn)而顯著提升酸性和堿性電解液中的析氧活性。因此，該工作為二維催化劑缺陷結(jié)構(gòu)和電子調(diào)控以及全pH析氧電催化劑的設(shè)計(jì)提供了新方案。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米能源》（Nano Energy）上。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
