堿性膜燃料電池(AEMFCs)具有低成本和高理論能量密度等特點(diǎn)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。然而，在堿性介質(zhì)中，陽(yáng)極上的氫氧化反應(yīng)(HOR)動(dòng)力學(xué)緩慢(比在酸性介質(zhì)中低兩個(gè)數(shù)量級(jí))，這限制了AEMFCs的進(jìn)一步大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。
雖然基于鉑的電催化劑對(duì)堿性HOR通常表現(xiàn)出高活性，但Pt的成本較高，不適合在AEMFCs中大規(guī)模使用。因此，尋找經(jīng)濟(jì)有效且穩(wěn)定的無(wú)Pt堿性HOR電催化劑有利于推動(dòng)AEMFCs的進(jìn)一步發(fā)展。基于此，浙江大學(xué)孫文平和潘洪革等設(shè)計(jì)并合成了由Ru和RuO2組成的Ru/RuO2平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其具有獨(dú)特的Ru(100)/RuO2(200)界面，能夠快速和持久的電催化堿性HOR。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，最優(yōu)的Ru/RuO2-180在整個(gè)電位范圍內(nèi)具有最高的電流密度，表明其具有最高的電催化性能。在0.1 V時(shí)，Ru/RuO2-250的電流密度的急劇下降，這可能是由于Ru/RuO2-250中金屬Ru物質(zhì)的氧化引起的(導(dǎo)致活性金屬Ru與氫鍵結(jié)合位點(diǎn)的消失，這是Ru基HOR電催化劑的典型現(xiàn)象)。相比之下，Ru/RuO2-180在0~0.33 VRHE的電位范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)急劇的電流下降，表明Ru/RuO2-180中金屬Ru物質(zhì)的氧化受到抑制。此外，Ru/RuO2-180的耐久性顯著增強(qiáng)，在連續(xù)運(yùn)行4.2 h和8 h后，電流密度分別下降了8.5%和10%，優(yōu)于Pt/C催化劑；Ru/RuO2-180在經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性測(cè)試后的結(jié)構(gòu)和組分并未發(fā)生明顯變化，這進(jìn)一步證明了Ru/RuO2-180平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中豐富的Ru-RuO2封閉界面在防止Ru被氧化方面起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步闡明Ru/RuO2平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑優(yōu)異電催化性能的根源，研究人員進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算。結(jié)果表明，Ru/RuO2中界面金屬Ru原子周圍的電子耗盡和O原子周圍的積累，進(jìn)一步驗(yàn)證了電子通過(guò)Ru/RuO2異質(zhì)界面轉(zhuǎn)移。此外，Ru/RuO2中Ru-RuO2界面的Ru和RuO2域分別是H和OH的最佳吸附位點(diǎn)：與純Ru相比，異質(zhì)界面上的金屬Ru與Had的相互作用較弱，界面RuO2與OHad的相互作用強(qiáng)于純RuO2，這大大提高了堿性HOR的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。更重要的是，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的界面Ru與OH和O的相互作用也比純Ru更弱，因此Ru/RuO2中的界面金屬Ru比純Ru具有更差的氧化性，這證實(shí)了獨(dú)特的Ru-RuO2界面能夠抑制金屬Ru物種的氧化，這對(duì)于Ru/RuO2在HOR反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性至關(guān)重要。綜上，這項(xiàng)工作證明了建立具有對(duì)堿性HOR中間體吸附平衡的異質(zhì)界面對(duì)于提高催化劑的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性具有重要的意義。Fast and Durable Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction at Electron-Deficient Ruthenium-Ruthenium Oxide Interface. Advanced Materials, 2022. DOI: 10.1002/adma.202208821
