陳釘等 科學材料站 2022-06-07
文 章 信 息
陰離子調制的釕/氧化鉬納米膠囊：在酸、堿介質中具有幾近相同的全水解性能
第一作者：陳釘，余若瀚，吳杜蘭
通訊作者：木士春
單位：武漢理工大學
研 究 背 景
在實際的連續全水解過程中，質子濃度不可避免的變化會導致催化活性的降低和能量的損失。因此，理想的電解水制氫催化劑應同時適應不同pH條件下的OER和HER催化機制。這對降低實際水電解系統的復雜性和成本至關重要。然而，由于大多數過渡金屬基催化劑在酸性和高氧化環境下不穩定且用途單一，目前只能用于堿性環境。因此，設計在寬pH范圍內具有高OER&HER動力學的穩定雙功能催化劑具有極大的挑戰性。
為此，如圖1，我們設計和構筑了一種雙功能Ru@MoO(S)3納米膠囊結構電催化劑。在該納米膠囊結構中，活性釕（Ru）納米顆粒被封裝于硫（S）離子調制的氧化鉬（MoO3）殼內。在寬pH范圍內，構筑的催化劑展現了優異的電催化性能。 
圖1. 文章摘要圖。
文 章 簡 介
本文中，來自武漢理工大學的木士春等教授在國際知名期刊Nano Energy上發表題為“Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media”的觀點文章。該觀點文章表明，通過將Ru納米顆粒封裝在S調制的氧化鉬（MoO(S)3）殼內形成的獨特納米膠囊結構，不僅保留了Ru固有的電催化活性和快速的傳質過程，同時防止了其過快的電氧化，從而保證了催化劑的穩定性。
本 文 要 點
要點一：合理的結構設計
如圖2所示，采用水包油法一步水熱反應制備了具有褶皺表面的單分散球形Mo基前驅體，再經過載Ru以及后續的高溫退火獲得了具有獨特膠囊結構的目標樣品Ru@MoO(S)3。其中膠囊“內膽”為Ru納米晶體，超薄“外殼”為S調制的MoO3 （MoO(S)3）。
Ru作為高活性位點，在MoO(S)3殼層封裝下表現出突出的OER&HER雙催化活性；而封裝后的Ru在MoO(S)3外殼的保護下可以有效避免在OER過程中被快速氧化，保持良好的穩定性。此外，硫陰離子部分取代氧產生的催化劑表面進一步調制了催化劑的電子結構，作為活性位點能夠有效降低能量勢壘，提高材料的電催化性能。 
圖2. 合成示意圖及目標樣品Ru@MoO(S)3的微觀結構。
要點二：在酸性和堿性介質中展現幾乎相同的全水解能力
得益于獨特的納米膠囊結構，如圖3所示，Ru@MoO(S)3分別驅動0.5 M H2SO4和1 M KOH電解液中的全水解反應只需要1.522和1.526 V的槽電壓就可以提供10 mA cm-2的電流密度，且表現出不俗的穩定性。此外，該全水解裝置的法拉第效率接近100%。這是首次報道一種催化劑在酸性和堿性介質中具有幾乎相同的電解水活性，并且顯著超過了商業Pt/C和RuO2電極對的電解水活性。 
圖3. 全水解性能圖。
要點三：前瞻
適應電解水過程中質子濃度變化的OER&HER雙功能電催化劑的構筑將有利于降低實際水電解系統的復雜性和成本，為先進的酸性質子交換膜和堿性陰離子交換電解槽的開發提供廣闊的前景。該研究為設計寬pH范圍內水電解的雙功能電催化劑提供了新的思路，對電解水制氫技術的發展具有重要的指導意義。
通 訊 作 者 簡 介
木士春教授 簡介：武漢理工大學首席教授，博士生導師，國家級高層次人才。長期致力于質子交換膜燃電池和電解水催化劑研究。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國內外期刊上發表260余篇高質量學術論文。
文 章 鏈 接
Anion-modulated Molybdenum Oxide Enclosed Ruthenium Nano-capsules with Almost the Same Water Splitting Capability in Acidic and Alkaline Media
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107445