华中大王春栋课题组《ACS AMI》: 非晶/结晶界面协同效应优化d带中心实现高效电催化全解水

为析氢和析氧反应设计具有优异催化活性和稳定性的双功能电催化剂是非常可取的，但也面临挑战。对于非晶材料，其结构灵活性使其能够在电催化过程中自我调节并承受结构干扰，从而提高其长期运行的稳定性。此外，非晶材料固有的无序性会在松散结合原子的自由体积区产生大量的 “ 悬垂键 ” 和缺陷，从而暴露出大量的活性位点。然而，非晶态材料通常导电性较低。因此将无定形催化剂与结晶催化剂的耦合有望成为提高催化活性和稳定性的一种有效策略。

有鉴于此，华中科技大学王春栋副教授课题组成功制备出一种非晶态RuO2包覆结晶Ni0.85Se纳米棒结构(称为a/c-RuO2/Ni0.85Se)，用于增强HER和OER活性。制备的a/c-RuO2/Ni0.85Se纳米棒不仅表现出优异的HER活性(58 mV@10 mA cm−2vs RHE)、OER活性(233 mV@10 mA cm−2 vs RHE)和电解槽活性(1.488 V@10 mA cm−2 vs RHE)，而且在持续50小时的整体水分解测试后，表现出长期稳定性，性能衰减可以不受影响。此外，通过密度泛函理论计算，从理论上揭示了非晶态RuO2层耦合时d带中心的变化(从成键和反键态的角度)，阐明了增加氢能吸附以增强HER活性。这项工作为制造双功能电催化剂的绿色制氢提供了新的途径。

示意图1在泡沫镍上合成a/c-RuO2/Ni0.85Se的工艺示意图。

图1 (a-e) Ni0.85Se、a/c-Ru(OH)3/Ni0.85Se和a/c-RuO2/Ni0.85Se纳米棒的XRD谱图和SEM图。(f) a/c-RuO2/Ni0.85Se的TEM显微图。

图2 (a) Ni0.85Se和a/c-RuO2/Ni0.85Se的XPS测量光谱。(b-d) Ni 2p、Se 3d和Ru 3d的高分辨率XPS光谱。(e) Ni0.85Se和a/c-RuO2/Ni0.85Se的ESR光谱。(f) Ni0.85Se和a/c-RuO2/Ni0.85Se的表面价带光电发射光谱。

图3 (a)催化剂的HER极化曲线。(iR补偿)。(b)达到10、50和150 mAcm−2电流密度所需的过电位。(c)塔费尔情节。(d)交换电流密度。(e)催化剂的奈奎斯特图。(f) a/c-RuO2/Ni0.85Se在2000 CV循环前后的极化曲线和在10 mA cm−2下长期催化稳定性试验后的极化曲线。

图4 (a)催化剂的OER极化曲线(含iR补偿)。(b)达到10、100和200 mAcm−2电流密度所需的过电位。电催化剂的Tafel图(c)和Nyquist图(d)。(e)显示电化学双层电容(Cdl)提取图。(f) 2000次循环前后a/c-RuO2/Ni0.85Se在10 mA cm−2处的极化曲线，(f)的插入为10 mA cm−2处的时电位响应。

图5。电催化整体碱性水裂解性能。(a)组装好的电解槽数码照片。(b) 1m KOH中配置的a/c-RuO2/Ni0.85Se (+)∥a/c-RuO2/Ni0.85Se (−)，Ni0.85Se(+)∥Ni0.85Se (−)，a/c-Ru (OH)3/Ni0.85Se(+)∥a/c-Ru (OH)3/Ni0.85Se(−)和RuO2(+)∥Pt/C(−)的极化曲线。(c)双电极电解池中a/c-RuO2/Ni0.85Se和RuO2(+)∥Pt/ c(−)的时间电位曲线。(d)用不同的电催化剂组装的电池电压的比较，使电流密度达到10 mA cm−2。

图6 (a) a/c-RuO2/Ni0.85Se的平面平均电子密度差Δ ρ (Z)。(b)局部电荷密度差等值面(青色:−，黄色:+)。(c)封装非晶态RuO2层后，态密度发生变化。(d) Ni0.85Se和a/c-RuO2/Ni0.85Se的金属-d轨道上的投影态密度。白色虚线表示DFT预测的d波段中心。(e) DOS图说明了非晶态RuO2修饰对d带位置的影响。(f)表示电催化剂各活性位点在平衡势下HER过程的自由能图。

作者简介

王春栋副教授，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心双聘副教授、华中卓越学者。2013年于香港城市大学获得博士学位，2013-2015年先后在香港城市大学、香港科技大学，荷语鲁汶大学任高级研究助理/副研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者，鲁汶大学F+研究员，2015年9月起任职华中科技大学。研究领域为非贵金属光/电催化剂设计及其在环境和能源中的应用。王春栋副教授是香港城市大学优秀博士论文奖（当年全校 7个）获得者，获评湖北省“楚天学者”计划楚天学子（2015 年），澳门大学杰出访问学者(2019)，华中卓越学者 (2020), 是美国材料学会(MRS)会员, 欧洲材料学会(EMRS)会员, 中国化学学会会员。担任Frontier in Chemistry和Molecules杂志客座编辑， Advanced Powder Materials 杂志特聘编委，Exploration青年编委，Rare Metals青年编委，eScience青年编委。长期担任Adv. Func. Mater.,等四十余个国际著名杂志审稿人/仲裁人，塞尔维亚国家自然科学基金和香港研究资助委员会（RGC）国际评审专家。在J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Sci.Bull., Research等杂志发表 SCI 论文 160 余篇，他引6000余次， H-因子 45，入选全球前2%顶尖科学家榜单(2021&2022)。先后主持国家重点研发计划（国际合作重点专项）、基金委面上项目、基金委青年项目、湖北省重点研发计划等项目十余项。

课题组网站：https://apcdwang.wixsite.com/hust-cdwang

https://doi.org/10.1021/acsami.2c13417

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