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陳少偉Adv. Sci.: 快速合成碳負(fù)載Ru-RuO2異質(zhì)結(jié)，用于高效催化水分解

氫是一種獨(dú)特的能量載體，可以通過(guò)水分解來(lái)儲(chǔ)存間歇性的太陽(yáng)能、風(fēng)能和化學(xué)能。水分解涉及陰極析氫反應(yīng)(HER)和陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)，兩者都需要有效的催化劑，以實(shí)現(xiàn)足夠高的能量轉(zhuǎn)換效率。先前的研究主要集中在HER或OER半反應(yīng)的催化劑上，而對(duì)雙功能催化劑的研究仍然很少。因此，開(kāi)發(fā)高性能雙功能催化劑已被認(rèn)為是水分解成功實(shí)施和發(fā)展的關(guān)鍵步驟。

目前，Pt和IrO₂納米粒子分別是HER和OER的基準(zhǔn)電催化劑。然而，有限的豐度和高昂的成本極大地限制了它們的廣泛應(yīng)用。相對(duì)廉價(jià)的貴金屬Ru顯示出良好的電催化性能，已經(jīng)成為Pt和IrO₂有前途的替代品。

近日，加州大學(xué)圣克魯茲分校陳少偉課題組以Ru(acac)₃為原料，在可控感應(yīng)電流下用磁感應(yīng)加熱(MIH)策略快速加熱10秒，制備了Ru-RuO₂/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，并將其用作高效的雙功能電解水催化劑。在低電流(例如200 A)下，Ru(acac)₃的熱分解不足導(dǎo)致產(chǎn)生大部分非晶Ru基團(tuán)簇，而在較高的MIH電流下，樣品具有Ru和RuO₂納米顆粒密切接觸的混合結(jié)構(gòu)。

結(jié)果表明，最優(yōu)的Ru-RuO₂/C-300 A催化劑具有最高的金屬Ru和Ru⁴⁺含量，在堿性條件下達(dá)到10 mA cm^-2電流密度所需的HER和OER過(guò)電位分別為31和240 mV。此外，該催化劑還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，這可以歸因于Ru-RuO₂界面上的強(qiáng)電子相互作用，它穩(wěn)定了活性中心，減輕了苛刻反應(yīng)條件下的降解。

基于Ru-RuO₂/C-300 A的電解槽僅需1.43 V的低電池電壓就能達(dá)到10 mA cm^-2的電流密度，比相同條件下的商業(yè)20% Pt/C??RuO₂/C低160 mV。系統(tǒng)的表征結(jié)果表明，在HER過(guò)程中，Ru-RuO₂界面的氫吸附自由能略有減少，促進(jìn)了最佳的氫吸附和解吸；而對(duì)于OER，Ru-RuO₂界面優(yōu)化了氧中間體的吸附，并降低了形成*OOH中間體的能壘。

此外，Ru中心的最佳電子密度可以促進(jìn)這種相互作用，從而增強(qiáng)界面上的電荷重分布和電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步提升反應(yīng)活性。綜上，該項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了Ru-RuO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為高效、穩(wěn)定的電化學(xué)水分解雙功能電催化劑的獨(dú)特潛力，為可持續(xù)制氫提供了一條有前途的途徑。

Rapid synthesis of carbon-supported Ru-RuO₂?heterostructures for efficient electrochemical water splitting. Advanced Science, 2025.DOI: 10.1002/advs.202414534

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