中科大章根强教授《Adv. Mater.》：电解水助推器：一种亚纳米尺度RuO2皮肤修饰的Ru基核壳结构

作为电解槽中的关键材料，OER和HER催化剂是决定绿氢制备成本的关键因素，其动力学缓慢造成的电化学极化较大，材料不稳定造成的寿命短，以及阴阳极最佳工作条件不匹配等问题依然是影响电解水制氢“提效降本”的瓶颈问题。为了提高电解水效率，中国科学技术大学章根强教授提出了一种制备核壳结构的简单策略，即通过将具有HER活性的Ru基微米片进行低温氧化，在Ru纳米团簇外包覆了一层富含氧空位的亚纳米尺度RuO2皮肤，赋予材料优异的OER活性，从而在广泛pH范围内实现了电解水性能提升。

相关成果以标题为“Arming Ru with Oxygen Vacancy Enriched RuO2 Sub-nanometer Skin Activates Superior Bifunctionality for pH-Universal Overall Water Splitting”发表在Advanced Materials。中国科学技术大学李亚鹏博士和贵州师范学院王文涛教授为论文第一作者，此研究得到国家重点研发计划（2022YFA1504001），国家自然科学基金（52072359）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（WK 2060000016）支持。

图1. Ru@V-RuO2/C HMS的示意图，原子相以及电化学性能。

首先，利用三聚氰胺与Ru3+之间的静电作用在室温下快速制备富含Ru3+的三聚氰胺前驱体。随后在Ar气氛中退火，层状结构的三聚氰胺分子会被转化为碳基微米片，同时吸附的Ru3+被原位还原为Ru，并在微米片上均匀析出，形成Ru基微米片——Ru/C HMS。接下来，在200 oC的低温下对该Ru基微米片进行缓慢氧化，能够在Ru纳米团簇表层形成一层富含氧空位的亚纳米尺度RuO2皮肤，并且微米片整体结构得到保持（Ru@V-RuO2/C HMS，图2）。

图2. Ru@V-RuO2/C HMS的合成过程，形貌和微结构分析。

对该核壳结构进行电化学性能测试，发现该材料在酸性和碱性溶液中均表现出优异的OER活性和循环稳定性，分别仅需176和201 mV的过电位即可达到10 mA cm-2，如图3a-d所示。另外，所制备的Ru@V-RuO2/C HMS也保持了优越的HER活性，如图3e, f所示，达到10 mA cm-2时的过电位仅仅为47 mV（0.5 M H2SO4）和6 mV（1.0 M KOH）。图4的密度泛函理论计算表明，将富含氧空位的RuO2与Ru复合后，RuO2表面对氢中间体的吸附行为相比Ru（-0.31 eV）更接近热中性（0.12 eV），进而加快了析氢动力学；同时相比纯的RuO2，复合结构能够减弱对氧中间体（*O）的吸附而降低氧析出能垒，因此Ru@V-RuO2/C HMS表现出双功能活性，从而在全解水方面展现出广阔前景。

图3. Ru@V-RuO2/C HMS的OER和HER性能评估。

图4. Ru@V-RuO2用于HER和OER的理论分析。

作者简介

章根强教授，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位，2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究，2011年-2014年在新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究，2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究。2016年加入中国科学技术大学，建立能源纳米材料实验室。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过1000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat 期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206351

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