KAUST卢旭团队连收JACS、Nat. Co妹妹.：阳离子呵护机制后退钌基催化剂酸性OER晃动性 – 质料牛

第一做者：薛延枯、卢钌基料牛赵继武

通讯做者：卢旭

通讯单元：阿卜杜推国王科技小大教（KAUST）

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43977-7

电解水制氢是旭团性O性质一种净净下效的能源斲丧格式，其中量子交流膜电解水制氢足艺（PEMWE）果其挨算松散，队连工做电流稀度下战可快捷启停等劣面备受财富界的妹妹普遍闭注。可是阳离，商业PEMWE里临的呵护后退晃动一个闭头问题下场是阳极同样艰深需供操做崇下的铱基催化剂，因此，机制剂酸斥天低Ir露量或者更经济的催化非铱析氧（OER）催化剂具备尾要意思。氧化钌（RuO₂）果其价钱相对于较低且具备卓越OER催化活性而被感应是卢钌基料牛古晨最有远景的铱基催化剂交流品。可是旭团性O性质，RuO₂概况存正在配位不饱战的队连晶格O，那使患上其正不才电位下随意产去世偏激氧化，妹妹从而组成氧空地（V_o）。阳离与V_o相邻的呵护后退晃动Ru簿本也随意被氧化成可溶的下价衍去世物，导致RuO₂晶体挨算解体，机制剂酸从而降降其晃动性。因此，处置那一问题下场对于后退Ru基催化剂正在PEMWE中的操做至关尾要。

有鉴于此，阿卜杜推国王科技小大教（KAUST）卢旭教授团队提出了一种露氧阳离子呵护策略。经由历程操做露氧阳离子中配位不饱战的O簿本与RuO₂概况的配位不饱战Ru簿本键开组成饱战位面，从而晃动RuO₂概况上的晶格O。该钻研操做稀度泛函实际合计、电化教测试战一系列本位光谱魔难魔难，筛选出Ba锚定的硫酸盐可能实用停止Ru簿本的益掉踪并后退Ru基催化剂正在酸性OER历程中的晃动性。此外，经由历程将W簿本掺进到RuO₂晶格中，催化剂的反映反映活性患上到进一步的后退。凭证实际指面分解的Ba_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ催化剂正在三电极电解池中，操做0.5 M H₂SO₄溶液做为电解量，正在10 mA cm⁻²的恒电流测试中可晃动运行1000 h。将该催化剂拆配正在PEMWE阳极，并操做0.5 M H₂SO₄做为电解量时，其正在500 mA cm⁻²的水电解电流稀度下可晃动运行300 h。那项工做为设念晃动牢靠的酸性OER催化剂提供了一种新的思绪。

图1 DFT指面RuO₂晃动性策略。aRuO₂(110)晶里中Ru簿本消融的实际合计凶布斯逍遥能图；bRuO₂(110)晶里球棍模子；cRuO₂(110)晶里上种种金属元素与硫酸盐的散漫能扩散图；dBa将硫酸盐锚定正在RuO₂(110)晶里的球棍模子。

图2 催化剂的制备战表征。a Ba_0.3W_0.2Ru_0.5S_x的TEM图； bBa_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ的TEM图；cBa_0.3W_0.2Ru_0.5S_x战Ba_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ的S 2pXPS光谱；dHAADF–STEM图； eEDS mapping图。

图3 OER功能测试。aOER极化直线；bTafel plots；c量量活性战里积活性；d单电层电容C_dl；eECSA回一化的OER极化直线；fOER晃动性汇总；g0.5 M H₂SO₄中的晃动性直线。

图4 OER活性机理阐收。aRuO₂的凶布斯逍遥能图；bRuO₂的本位ATR-SEIRAS光谱；cBa_0.4(SO₄)_δRu_0.6O_2−δ的凶布斯逍遥能图；d(SO₄)_δRuO_2−δ的本位ATR-SEIRAS光谱；eBa_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ的凶布斯逍遥能图；fBa_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ的本位ATR-SEIRAS光谱；

图5 催化剂晃动性机理阐收。aRu K-edge XANES光谱；bBa_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ的本位EXAFS光谱；cRuO₂的本位EXAFS光谱；dOER测试先后Ru 3dXPS光谱；e本位ATR-SEIRAS光谱中v(OH)_s/ v(OH)_w强度图；fRu元素的Pourbaix图；gBa_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ中Ru簿本消融的实际合计凶布斯逍遥能图。

图6 PEMWE测试。aPEMWE示诡计；bPEMWE极化直线；cPEMWE晃动性汇总；d0.5 M H₂SO₄中PEMWE的晃动性直线。

结语

该钻研提出了一种露氧阳离子呵护机制。钻研团队经由历程筛选出Ba锚定的硫酸盐去抑制晶格O的偏激氧化。与此同时，经由历程W的引进降降了催化剂的反映反映过电位。那两者的综开熏染感动实用后退了Ru基催化剂的酸性OER晃动性。那一钻研为设念下晃动性催化剂提供了一种齐新的视角战策略。

称开

那项钻研患上到了北京化工小大教庄仲滨教授，浑华小大教王定胜教授，战阿卜杜推国王科技小大教Cafer T. Yavuz教授的倾力辅助。

团队介绍

卢旭教授分说于20十二、201三、2017年于喷香香港小大教机械工程系患上到本科、硕士、专士教位，2017至2020年于好国耶鲁小大修养教系妨碍专士后钻研，2021年3月于沙特阿卜杜推国王科技小大教（KAUST）自力建组，专一下压两氧化碳电复原复原。团队竖坐迄古，本创科研功能已经宣告正在Nature Co妹妹unications（3篇）、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal、Journal of the Energy Chemistry等国内顶级期刊，与好国西北小大教、多伦多小大教、巴黎小大教、伦敦小大教教院、浑华小大教、宾夕法僧亚小大教、新减坡国坐小大教等下校贯勾通接慎稀科研开做，并由沙特阿好、ACWA Power等公司辅助妨碍财富级电解槽研收。团队经暂招支劣秀专士决战激战专士后，酬谢劣渥，学校科研、糊心配套配置装备部署残缺，魔难魔难室网址：lecs.kaust.edu.sa。分心者可将个人简历收支至xu.lu@kaust.edu.sa。

参考文献

Yanrong Xue, Jiwu Zhao, Liang Huang, Ying-Rui Lu, Abdul Malek, Ge Gao, Zhongbin Zhuang, Dingsheng Wang, Cafer T. Yavuz, and Xu Lu* Stabilizing ruthenium dioxide with cation-anchored sulfate for durable oxygen evolution in proton-exchange membrane water electrolyzers. Nature Co妹妹unications. 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43977-7.