電解水制氫是高效轉(zhuǎn)化可再生能源的重要方式之一。為此，需要開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性的雙功能水分解電催化劑。
釕基電催化劑在OER反應(yīng)中的應(yīng)用得到了廣泛的研究，最近也有研究者開始考慮其催化HER反應(yīng)的可能。然而，目前報道的釕基納米催化劑制備步驟復(fù)雜，在堿性環(huán)境的OER過程中存在嚴(yán)重的溶出現(xiàn)象，在酸性環(huán)境的HER中過電位過高，不利于實際應(yīng)用。
單原子材料具有特殊的尺寸效應(yīng)，在諸多電催化反應(yīng)中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。近日，清華大學(xué)陳晨教授團隊和北京科技大學(xué)陳昕合作，通過在RuO2納米材料上構(gòu)造單原子Co位點，制備了雙功能水分解電催化劑CoSAC/RuO2，實現(xiàn)了釕基催化劑在OER和HER反應(yīng)中活性和穩(wěn)定性的提升。
研究者使用簡單的一鍋法制備了CoSAC/RuO2催化劑，并用球差、同步輻射等手段確認(rèn)了Co的單原子分散。ICP結(jié)果說明Co單原子的載量高達(dá)1.8 wt%。一系列的價態(tài)表征揭示了Co單原子顯正價，而Ru的價態(tài)有所降低，這有利于催化劑在OER環(huán)境中的穩(wěn)定性。 性能測試表明CoSAC/RuO2催化劑對于酸性HER，在10 mA/cm2處的過電位僅有45 mV；對于堿性O(shè)ER，在10 mA/cm2處的過電位僅有200 mV。 理論計算揭示了Co單原子不僅可以改變Ru元素的價態(tài)以提高材料穩(wěn)定性，還能夠在OER反應(yīng)中作為活性位點吸附并解離H2O，極大地改變了反應(yīng)決速步，有效改善了反應(yīng)熱力學(xué)。 在該工作中，研究者向釕基催化劑中加入Co單原子，借助Co單原子調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)和同時作為活性位點的特殊作用，提高了釕基催化劑在電催化水分解反應(yīng)中的性能，為單原子材料在電催化中的應(yīng)用和機理研究提供了一種新思路。 論文信息： Cobalt Single Atom Incorporated in Ruthenium Oxide Sphere: A Robust Bifunctional Electrocatalyst for HER and OER Khadim Shah, Ruoyun Dai, Muhammad Mateen, Zubair Hassan, Zewen Zhuang, Chuhao Liu, Muhammad Israr, Weng-Chon Cheong, Botao Hu, Renyong Tu, Chao Zhang, Xin Chen, Qing Peng, Chen Chen, Yadong Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202114951
