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?北化工/浙工大JACS: 理論計算+實驗！過渡金屬摻雜RuO2作為耐酸OER電催化劑

與其他制氫方法相比，電催化水分解作為一種新型可再生能量轉(zhuǎn)換裝置，已被廣泛認(rèn)為是一種更有前途、更可持續(xù)的無碳綠色氫生產(chǎn)技術(shù)。與堿性水電解相比，質(zhì)子交換膜水電解(PEMWE)具有較少的不利反應(yīng)、較低的電阻損失和較快的系統(tǒng)響應(yīng)等優(yōu)點，快速響應(yīng)特性使其能夠利用風(fēng)能、太陽能等間歇性能源進(jìn)行連續(xù)制氫。但是，由于高電壓和酸性環(huán)境，大多數(shù)OER電催化劑在PEMWE中嚴(yán)重降解。因此，設(shè)計具有長期穩(wěn)定性和高活性的酸性O(shè)ER催化劑以滿足PEMWE的要求是一項重大挑戰(zhàn)。

密度泛函理論(DFT)計算篩選是一種方便、有效的催化劑快速探測方法。它可以避免實驗室中的大量試錯實驗，從而減少工作量和節(jié)省時間和節(jié)省成本?；诖?，北京化工大學(xué)曹達(dá)鵬和浙江工業(yè)大學(xué)胡鐘霆等以RuO₂為模型催化劑，首先采用顯式硫酸溶解模型計算了Ru在3d過渡金屬陽離子摻雜的MRuO_x (M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)中的溶解行為，并系統(tǒng)研究了它們在酸性O(shè)ER中的耐久性。

DFT結(jié)果表明，ZnRuO_x催化劑顯示出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。為驗證該結(jié)果，研究人員通過實驗合成了上述MRuO_x材料，發(fā)現(xiàn)ZnRuO_x確實表現(xiàn)出強(qiáng)大的酸性O(shè)ER穩(wěn)定性，其在15000個CV循環(huán)之后，10 mA cm^?2電流密度下過電位的衰減可以忽略不計。

重要的是，使用ZnRuO_x作為陽極的PEMWE可以在200 mA cm^?2下穩(wěn)定運行120小時，而基于RuO_x的PEMWE在200 mA cm^?2下僅保持約23小時的穩(wěn)定性。

此外，基于光譜表征結(jié)果，研究人員進(jìn)一步揭示了ZnRuO_x的穩(wěn)定機(jī)制，即在ZnRuO_x納米晶外部摻雜的Zn原子形成一個“富Zn”的殼層，有效地縮短了材料中Ru-O鍵的平均長度，增強(qiáng)了Ru-O相互作用，從而提高了ZnRuO_x在酸性O(shè)ER中的內(nèi)在穩(wěn)定性?？傊擁椆ぷ鞑粌H提供了一個新的研究范式，即使用密度泛函理論計算指導(dǎo)實驗合成，而且提供了一個以3d金屬摻雜作為RuO₂穩(wěn)定劑的通用原則。

Designing 3d transition metal cation-doped MRuO_x as durable acidic oxygen evolution electrocatalysts for PEM water electrolyzers. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c04096

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