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Nature子刊：界面工程打破RuO2穩(wěn)定性和活性極限，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)水氧化

設(shè)計(jì)具有增強(qiáng)穩(wěn)定性和活性的催化材料對(duì)于可持續(xù)電化學(xué)能源技術(shù)至關(guān)重要。RuO₂是電解槽中用于析氧反應(yīng)(OER)活性最高的材料，但它在反應(yīng)過程中會(huì)遇到電化學(xué)氧化和溶解問題。因此，設(shè)計(jì)和制備同時(shí)具有高穩(wěn)定性和活性的RuO₂電催化劑具有重要意義。

近日，天津大學(xué)凌濤、南開大學(xué)胡振芃和中國臺(tái)灣同步輻射研究中心Chia-Hsin Wang等通過構(gòu)建RuO₂/CoO_x界面，打破了RuO₂在中性和堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性和活性極限。

研究人員結(jié)合理論計(jì)算、原位X射線光電子能譜(XPS)和原位紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜，證明了由于犧牲了CoO_x的氧化和界面電子效應(yīng)，降低RuO₂溶解的驅(qū)動(dòng)力和富集RuO₂上的電子來穩(wěn)定RuO₂，因此RuO₂/CoO_x催化劑的穩(wěn)定性顯著超過了塊狀RuO₂。此外，動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)(KIE)、原位紅外反射(IR)和理論計(jì)算證實(shí)了界面的構(gòu)建導(dǎo)致RuO₂/CoO_x界面周圍產(chǎn)生了高活性的Ru/Co雙原子位點(diǎn)，相應(yīng)的協(xié)同作用在OER過程中吸附關(guān)鍵的氧中間體，優(yōu)化了反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

因此，RuO₂/CoO_x催化劑在中性和堿性條件下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高OER活性，并具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。具體而言，RuO₂/CoO_x催化劑在高達(dá)1.80 V_RHE的電位下連續(xù)測(cè)試20 h后，催化劑中Ru元素的含量仍接近100%；RuO₂/CoO_x在中性電解質(zhì)中，僅需0.24 V的超低OER過電位就能達(dá)到10 mA cm^-2的電流密度。

此外，當(dāng)RuO₂/CoO_x催化劑在泡沫鎳上的載量增加到1.5 mg cm^-2時(shí)，RuO₂/CoO_x可以在1.92 V_RHE下產(chǎn)生400 mA cm^-2的電流密度。該項(xiàng)工作證明了利用界面效應(yīng)同時(shí)提高RuO₂的穩(wěn)定性和活性的可行性，并且也證明通過選擇合適的載體材料也可以從根本上解決RuO₂在酸性環(huán)境中的活性和穩(wěn)定性問題。

Interface Eengineering Breaks Both Stability and Activity Limits of RuO₂ for Sustainable Water Oxidation. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33150-x

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