近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出，通過電化學(xué)水分解制備清潔能源被認(rèn)為是解決這一問題的有效途徑。然而，水分解中的析氧反應(yīng)(OER)是一個(gè)四電子轉(zhuǎn)移過程，導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)速度較慢。目前已經(jīng)有大量的工作致力于發(fā)現(xiàn)高效和穩(wěn)定的堿性O(shè)ER催化劑，但是在實(shí)際的水分解裝置中對(duì)高電流密度的需求促使人們尋找合適的酸性O(shè)ER催化劑。
基于此，北京航空航天大學(xué)劉宇宙和王騰等制備了一種Si-RuOx@C催化劑，其不僅具有較高的酸性O(shè)ER活性，而且具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。具體而言，RuCl3溶液與COP1-T溶液在DMF中簡(jiǎn)單地混合以將Ru離子裝入形成COP1-T籠，隨后對(duì)其進(jìn)行焙燒獲得碳包覆的Si-RuOx@C。在0.5 M H2SO4溶液中，Si-RuOx@C在10 mA cm?2電流密度下的過電位低至220 mV，明顯優(yōu)于RuOx@C(260 mV)和商業(yè)RuO2(300 mV)。Si-RuOx@C在酸性O(shè)ER中還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性：經(jīng)過27000次CV循環(huán)后，其在10 mA cm?2下的過電位僅增加10 mV；在10 mA cm?2下連續(xù)反應(yīng)100 h后，其過電位仍然保持在≈220 mV。更重要的是，經(jīng)過100小時(shí)的穩(wěn)定性試驗(yàn)后，用ICP-OES測(cè)定了溶液中Ru的含量，而Ru的損失量小于2%。密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，Si的引入降低了d帶中心，并優(yōu)化了反應(yīng)過程中吸附氧的決速步的自由能。此外，Ru中心周圍存在的Si作為電子儲(chǔ)存器，提高了Ru活性中心的抗氧化性。因此，在RuO2(110)面摻雜Si不僅能有效地提高酸性O(shè)ER活性，而且也能增強(qiáng)Si-RuOx@C的化學(xué)穩(wěn)定性。綜上，該項(xiàng)工作提出了一種生產(chǎn)多種碳包覆納米顆粒催化劑的方法，為合理設(shè)計(jì)高活性、高穩(wěn)定性的電催化劑提供了有效策略。Nano Si-Doped Ruthenium Oxide Particles from Caged Precursors for High-Performance Acidic Oxygen Evolution. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202207429
