可再生、清潔、高能量密度的H2被廣泛認(rèn)為是化石燃料在碳中和方面的替代者。水分解制取高純H2技術(shù)是最理想的制H2技術(shù)之一，但是受可回收性和轉(zhuǎn)化效率的限制，其商業(yè)可行性受到嚴(yán)重影響。水電解通常分為析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)。與HER相比，OER涉及多個(gè)電子轉(zhuǎn)移過程，導(dǎo)致更大的過電位和緩慢動(dòng)力學(xué)，這嚴(yán)重阻礙了整體水分解的效率。RuO2/IrO2作為基準(zhǔn)OER電催化劑，也面臨著原料儲(chǔ)量稀缺和綜合利用率低的問題。
此外，由表面重建、晶格氧析出和溶解-再沉積過程的OER機(jī)制引起的長(zhǎng)期耐久性不理想仍然是一個(gè)實(shí)質(zhì)性障礙。因此，克服活性與穩(wěn)定性之間的平衡是開發(fā)高性能OER催化劑的關(guān)鍵。近日，云南大學(xué)Zhang Hua和陳安然等采用原位錨定Ru單原子耦合自氧化輔助合成策略，制備了高活性、穩(wěn)定性的堿性O(shè)ER電催化劑NiO@Ru-Ni3S2。正如預(yù)期的那樣，所制備的NiO@Ru-Ni3S2催化劑具有優(yōu)異的OER活性和長(zhǎng)期耐久性，其在電流密度為10 mA cm-2時(shí)的過電位低至110 mV，Tafel斜率僅為22.6 mV dec-1。此外，NiO@Ru-Ni3S2催化劑分別在500小時(shí)和5000次循環(huán)CV測(cè)試后沒有顯示出明顯的電流衰減；穩(wěn)定性測(cè)試后，在NiO@Ru-Ni3S2催化劑中，S、Ni和Ru元素含量略有下降，但O元素含量增加(O含量的增加可能是由于表面重構(gòu)形成了NiOOH)。此外，XAFS分析結(jié)果表明，Ru原子在OER過程中適度氧化，進(jìn)一步證實(shí)NiO@Ru-Ni3S2優(yōu)異的穩(wěn)定性。理論計(jì)算表明，Ru原子的引入增強(qiáng)了Ni3S2和NiO之間的WF差，引起的BEF觸發(fā)了從Ni3S2到NiO的定向電子轉(zhuǎn)移并在Ru原子周圍聚集，富電子狀態(tài)有效地阻止了Ru中心的過氧化和溶解。此外，NiO@Ru-Ni3S2中Ru的d帶中心上移，促進(jìn)了中間體的吸附，從而加速了OER動(dòng)力學(xué)。因此，NiO@Ru-Ni3S2中BEF的形成和增強(qiáng)有利于電荷的定向輸運(yùn)，不僅可以提高催化劑的穩(wěn)定性，而且可以優(yōu)化中間體的吸附和解吸，降低OER反應(yīng)的能壘，從而顯著提高反應(yīng)活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。綜上，該項(xiàng)工作通過使用不對(duì)稱電荷分布優(yōu)化材料的性能，為解決OER催化劑設(shè)計(jì)中活性和穩(wěn)定性之間的權(quán)衡提供了思路。Interfacial electric field stabilized Ru single-atom catalysts for efficient water oxidation. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c01829
