第一作者：Juan Wang
通訊作者：Yong Xu; Xiaoqing Huang
通訊單位：廣州工業(yè)大學(xué)，廈門大學(xué)
研究內(nèi)容：
實現(xiàn)穩(wěn)定高效的整體水裂解對于可持續(xù)高效的制氫是非常理想的，但由于電催化劑在酸性析氧過程中快速失活，具有挑戰(zhàn)性。在這里，作者報道了具有間隙C的單原子鉑摻雜在RuO2空心納米球(SS Pt-RuO2 HNSs)催化劑，在0.5 M硫酸中整體水分裂中可以作為高活性和穩(wěn)定的電催化劑。整體水裂解的性能已經(jīng)超過了大多數(shù)報道的催化劑。令人印象深刻的是，SS Pt-RuO2 HNSs在連續(xù)運行100小時的100mA cm?2的聚合物電解質(zhì)膜電解槽中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。實驗表明，間隙C可以延長Ru-O和Pt-O鍵，而SS Pt的存在可以很容易地改變RuO2的電子性質(zhì)，并通過降低能壘和提高*O物種的解離能來提高OER活性。
要點一：
盡管RuO2和IrO2在酸性OER中得到了廣泛的應(yīng)用，但與IrO2相比，RuO2因其價格更低、活性更強，一直被認(rèn)為是一種很有前途的酸性OER催化劑。然而，RuO2在高電勢值下的酸性介質(zhì)中穩(wěn)定性較差。在過去的幾十年里，人們一直致力于對RuO2的修飾，以提高其對酸性OER的穩(wěn)定性。在這里，作者報道了單位點Pt摻雜RuO2空心納米球(SS Pt-RuO2 HNSs)作為高性能電催化劑用于整體酸性水裂解，其中間隙C被錨定間隙中，而Pt取代了單位點的部分Ru位點。特別是，當(dāng)SS Pt-RuO2 HNSs用作催化劑水分裂0.5M硫酸，在電流密度為10、50和100mA cm?2所需的電壓低至1.49、1.59和1.65V，催化性能已經(jīng)超過了大多數(shù)報道的催化劑整體水分裂。
要點二：
在采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系的0.5M硫酸溶液中，評價了各種催化劑的OER和HER性能。SS Pt-RuO2 HNSs在電流密度分別為10、50和100mA cm?2顯示過電位為228、262和282mV，與商業(yè)RuO2、RuO2 HNSs相比，SS Pt-RuO2 HNSs的Tafel斜率最小，反應(yīng)動力學(xué)最快。SS Pt-RuO2 HNSs||SS Pt-RuO2 HNSs顯示高穩(wěn)定性，在超過100小時的電流密度100mA cm?2沒有顯著電壓增加，表明SSPt-RuO2HNSs在實際應(yīng)用的巨大潛力。
圖1. 形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)特征。SS Pt-RuO2 HNSs的(A)HAADF-STEM圖像、(B)TEM圖像、(C)XRD圖譜和(D)高分辨率HAADF-STEM圖像。(E)從(D).中用紅色矩形突出顯示的區(qū)域獲得的高分辨率HAADF-STEM圖像(F)SS Pt-RuO2 HNSs|的FFT圖和(G)晶體結(jié)構(gòu)模型。（H至J）從(E)中用白線突出顯示的區(qū)域獲得的線掃描強度輪廓。(K)SS Pt-RuO2 HNSs|的STEM圖像和STEM-EDS元素繪圖圖像。
圖2. 電化學(xué)OER和HER的研究。SS Pt-RuO2 HNSs、RuO2 HNSs和商業(yè)RuO2的(A)OER極化曲線和(B)對應(yīng)的Tafel斜率。不同催化劑在10mA cm?2處的過電位和Tafel斜率的(C)直方圖。(D)HER極化曲線和(E)SS Pt-RuO2 HNSs、RuO2 HNSs和商業(yè)Pt/C對應(yīng)的Tafel斜率。(F)各種催化劑在10mA cm?2處的過電位和Tafel斜率的直方圖。(G)SS Pt-RuO2 HNSs在（橙色）前和（綠色）1000個CV循環(huán)后的OER和HER極化曲線。(H)在10mA cm?2下，0.5M硫酸中SS Pt-RuO2 HNS對OER和HER的時間電位測量試驗。
圖3. 整體水裂解的催化性能。采用SS Pt-RuO2 HNSs作為陽極和陰極催化劑的雙電極電池電解槽的(A)方案。SS Pt-RuO2 HNSs||SS Pt-RuO2 HNSs和商用RuO2||Pt/C在0.5M硫酸中水分裂的(B)極化曲線。(C)SS Pt-RuO2 HNSs||SS Pt-RuO2 HNSs和商業(yè)RuO2||Pt/C在10mA cm?2下的計時測量試驗。(DSS Pt-RuO2 HNSs與其他報道的酸性介質(zhì)中水裂解催化劑的電壓和穩(wěn)定性的比較。(E)PEM電解槽的示意圖。(F)PEM電解槽中SS Pt-RuO2 HNSs||SS Pt-RuO2 HNSs的時時電勢試驗。
圖4. 催化劑的結(jié)構(gòu)分析。SS Pt-RuO2 HNSs、PtO2和Pt箔的(A)Pt L3邊XANES和(B))Pt L3邊EXAFS光譜。SS Pt-RuO2 HNSs、SeO2和Se網(wǎng)格的(C)Se k邊XANES光譜。SS Pt-RuO2 HNSs、商用RuO2和Ru箔的(D)Ru k邊XANES和(E)Ru k邊EXAFS光譜。(F)SS Pt-RuO2 HNSs和商用RuO2的O k邊XANES譜。(G)SS Pt-RuO2 HNSs和(H)商業(yè)RuO2的Ru k邊EXAFS數(shù)據(jù)的小波變換。（I）SS Pt-RuO2 HNSs的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5.DFT的計算。(A)*O在RuO2和Pt-RuO2中的解離能。(B)分別在0和1.23V(RHE)的過電位作用下，RuO2和SS Pt-RuO2 HNSs上的OER過程的自由能分布。(C)Pt-RuO2中原子的Bader電荷數(shù)。請注意，負(fù)值是指失去的電子，而正值主要是為了獲得電子。(D)Pt-RuO2中表面Ru原子的四維軌道的PDOS。(ESS Pt-RuO2 HNSs上酸性OER的機理示意圖。
參考文獻(xiàn)：
Juan W, Hao Y, Fan L, et al. Single-site Pt-doped RuO2 hollow nanospheres with interstitial C for high-performance acidic overall water splitting[J]. Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.abl9271
