前言
近日，云南大學(xué)柳清菊教授/陳明鵬博士，在Chin Chem Lett上發(fā)表題為“Cross-scale manipulation of Ru single-atom catalyst for enhanced hydrogen evolution and overall water splitting at industrial current density”的研究論文。該工作通過(guò)耦合Ru單原子與NiFe-LDH/MoNiS，制備出具有分級(jí)核殼結(jié)構(gòu)的RuSA/NiFe-LDH/MoNiS單原子催化劑。其HER性能在 500 和 1000 mA/cm2 的大電流密度下分別表現(xiàn)出 234 和 320 mV 的超低過(guò)電位。
論文標(biāo)題截圖 圖文摘要
開(kāi)發(fā)具有高本征活性和良好反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的HER催化劑是電催化領(lǐng)域研究的核心目標(biāo)。目前，單組分催化劑（如納米合金、硫族化物、磷化物、氮化物、碳化物）面臨著活性位點(diǎn)有限、本征活性低的挑戰(zhàn)，無(wú)法同時(shí)平衡H*和*OH物質(zhì)的水解離和吸附/解吸。鎳基材料具有可調(diào)的d帶中心和豐富的化學(xué)態(tài)，能夠靈活地調(diào)節(jié)中間體吸附/脫附。盡管大多數(shù)異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑能克服這一難題，但其本征活性仍然無(wú)法與Pt基材料相提并論。單原子催化劑（SACs）因其100%的原子利用效率而在水分解領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。通過(guò)耦合Pt族金屬單原子和Ni基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的跨尺度調(diào)控策略，可以調(diào)控催化劑的電子構(gòu)型，同時(shí)增加活性位點(diǎn)的數(shù)量和固有的HER活性。
內(nèi)容簡(jiǎn)介 圖1. 催化劑形貌表征 本文提出了一種跨尺度調(diào)控策略，分別通過(guò)水熱法、溶劑法和浸泡法制備出RuSA/NiFe-LDH/MoNiS催化劑。隨后通過(guò)SEM,TEM和AC-HAADF-STEM成功證明了RuSA在NiFe-LDH/MoNiS載體表面的均勻分散。 圖2. 催化劑電子結(jié)構(gòu)表征 通過(guò)XPS研究了RuSA對(duì)NiFe-LDH/MoNiS電子構(gòu)型的影響。引入Ru后可以發(fā)現(xiàn)Ni 2p軌道結(jié)合能負(fù)移了1.5 eV，而Fe 2p軌道結(jié)合能正移了1.3 eV。這表明RuSA誘導(dǎo)了載體元素的電子重排，從而優(yōu)化了其電子結(jié)構(gòu)。此外，利用X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究了Ru位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境?？梢园l(fā)現(xiàn)Ru負(fù)載后形成了Ru?O?Ni結(jié)構(gòu)。 圖3. 催化劑HER及全解水性能測(cè)試 RuSA/NiFe-LDH/MoNiS在 500 和1000 mA/cm2 的大電流密度下分別實(shí)現(xiàn) 234 和 320 mV 的超低過(guò)電位和超過(guò) 200 小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。組裝好的電解池僅需1.85 V的槽壓即可達(dá)到 500 mA/cm2的電流密度。 圖4. 理論計(jì)算 理論計(jì)算表明獨(dú)特的Ru?O?Ni結(jié)構(gòu)使得NiFe-LDH/MoNiS上的水吸附/解離更容易，產(chǎn)生的H*從Ni位點(diǎn)遷移到Ru位點(diǎn)進(jìn)行解吸，從而促進(jìn)整體水分解。
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https://doi.org/10.1016/j.cclet.2025.111813
