微著 催化計 2021-3-2
氫能作為一種重要的二次能源，因其清潔、富足和可持續(xù)性而備受關(guān)注。在制氫方面，采用成熟的質(zhì)子交換膜(PEM)技術(shù)的酸性水分解裝置為大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用提供了良好的硬件環(huán)境。PEM的使用和良好的反應(yīng)機制帶來了成本優(yōu)勢、高質(zhì)子傳導(dǎo)、副作用少、方便氣體分離等多重優(yōu)勢。但是，PEM-水分解（PEMWS）設(shè)備的兩個電極都需要某些電催化劑才能有效地促進緩慢的動力學(xué)過程。金屬基納米催化劑被廣泛應(yīng)用于加速陽極析氧(OER)和陰極析氫(HER)反應(yīng)。然而，PEMWS中的極端酸性容易導(dǎo)致金屬基活性中心的溶解和降解，從而導(dǎo)致活性和耐久性較差。因此，在酸性介質(zhì)中需要合理設(shè)計高活性、穩(wěn)定的雙功能電催化劑。
有鑒于此，武漢理工大學(xué)的木士春教授等人，首次系統(tǒng)地研究了釕/二硫化釕異質(zhì)結(jié)構(gòu)（Ru/RuS2）的調(diào)控電子態(tài)，活性來源和實際催化性能。
本文要點
要點1. 密度泛函理論（DFT）的計算首次揭示了Ru/RuS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和活性來源。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于具有較大的費米能級態(tài)密度而具有較高的電子導(dǎo)電性。異質(zhì)界面周圍的電荷密度將重新排列，從而依次調(diào)節(jié)關(guān)鍵中間體的吸附行為。因此，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)能壘被降低，從而導(dǎo)致了對酸性水電解的高理論活性。
要點2. 實驗上，首次通過共晶鹽體系下的同步還原和硫化，合理地設(shè)計了層狀Ru/RuS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)。如預(yù)期的那樣，該材料在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。Ru/RuS2-2作為OER催化劑具有超低過電位、良好的動力學(xué)、優(yōu)良的內(nèi)在活性和良好的長期穩(wěn)定性。
要點3. 此外，它還表現(xiàn)出出色的酸性HER性能。由于良好的動力學(xué)和出色的比活性，它在酸性介質(zhì)中對OER（201 mV @ 10 mA cm‐2）和HER（45 mV @ 10 mA cm‐2）都具有極高的催化活性，酸性全水水分解設(shè)備的性能（1.501 V @ 10 mA cm-2）也很優(yōu)異。
總之，深入了解界面效應(yīng)的內(nèi)部活性起源，可以為混合界面的合理構(gòu)建提供精確的指導(dǎo)。
Jiawei Zhu et al. Regulative Electronic States around Ruthenium/Ruthenium Disulphide Heterointerfaces for Efficient Water Splitting in Acidic Media. Angew., 2021.
DOI: 10.1002/anie.202101539
https://doi.org/10.1002/anie.202101539