在各種制氫技術(shù)中，水電解(WE)是一種生態(tài)友好的制氫方式，但需要高效催化劑來(lái)加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。對(duì)于陰極析氫反應(yīng)(HER)，價(jià)格較低、H親和能力強(qiáng)的Ru被認(rèn)為是昂貴的PGM的替代品。從Sabatier原理來(lái)看，目前仍需要修飾Ru基催化劑來(lái)獲得中等的H親和力和近中性吸附動(dòng)力學(xué)。研究表明，非金屬元素(NME、Se、S等)的引入可以為平衡氫的吸附/解吸行為。它們之間的鍵極化作用將減弱H-Ru的強(qiáng)吸附，并通過(guò)d/p帶中心調(diào)節(jié)誘導(dǎo)Ru/NME雙位點(diǎn)增強(qiáng)HER動(dòng)力學(xué)。雖然目前在HER方面取得了優(yōu)異的性能，但緩慢的陽(yáng)極多步析氧反應(yīng)(OER)嚴(yán)重阻礙了WE的廣泛應(yīng)用。此外，實(shí)用的WE裝置需要能夠長(zhǎng)期耐受pH波動(dòng)的電催化劑。因此，迫切需要一種高效和pH穩(wěn)定的Ru基催化劑，能夠加速HER動(dòng)力學(xué)，同時(shí)也表現(xiàn)出OER活性。
近日，西安交通大學(xué)戴正飛課題組通過(guò)靜電紡絲/硒化過(guò)程制備了RuO2-x/RuSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并研究了其pH穩(wěn)定的WE性能和催化機(jī)理。一系列光譜表征和理論計(jì)算表明，RuO2-x/RuSe2異質(zhì)結(jié)的界面Se-Ru-O橋上具有不對(duì)稱的鍵δ極化：1.極化率增強(qiáng)(Δp>0)的Ru-O鍵觸發(fā)OER的LOM機(jī)制；而2.極化率下降(Δp<0)的Ru-Se鍵通過(guò)增強(qiáng)的dRu-pSe能帶雜化有利于加速HER動(dòng)力學(xué)。因此，不論在酸性還是堿性條件下，RuO2-x/RuSe2催化劑都表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
具體而言，在1.0 M KOH和0.5 M H2SO4溶液中，優(yōu)化后的RuO2-x/RuSe2異質(zhì)結(jié)達(dá)到10 mA cm?2電流密度所需的HER過(guò)電位分別僅為10 mV和25 mV；對(duì)于OER反應(yīng)，催化劑達(dá)到相同的電流密度則分別需要210 mV和255 mV的過(guò)電位。此外，利用RuO2-x/RuSe2組裝的WE裝置在酸性和堿性條件下分別僅需1.478 V和1.496 V的低電池電壓就能產(chǎn)生10 mA cm?2的電流密度，并能夠在20 mA cm?2電流密度下連續(xù)穩(wěn)定電解約200小時(shí)。
綜上，該項(xiàng)研究證實(shí)了通過(guò)調(diào)節(jié)界面鍵提升催化劑性能的可行性，為合理設(shè)計(jì)pH穩(wěn)定的全水分解電催化劑提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。
Asymmetric bond delta-polarization at the interfacial Se-Ru-O bridge for efficient pH-robust water electrolysis. Advanced Functional Materials , 2024. DOI: 10.1002/adfm.202406587
