四川
第一作者：Jiangwei Chang
通讯作者：卢思宇教授
通讯单位：郑州大学
DOI: 10.1021/jacs.3c13248.
研究背景
质子交换膜水电解槽（PEMWE）在酸性介质中驱动水分解，被视为未来绿色氢经济增长的重要设备。PEM电解槽利用阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER），其中4-电子/4-质子OER的缓慢动力学需要应用大过电位来驱动水分解速率，OER性能控制PEM电解槽的整体能量利用效率。二氧化钌（RuO2）是酸性OER电催化剂的基准，具有优异的活性。然而，由于OER的极化条件，Ru原子可能发生过氧化，生成水溶性RuO42-，导致电催化剂稳定性差和性能损失。因此，寻找同时具有高活性和稳定性的电催化剂的意义重大，但还面临着巨大挑战。基于此，郑州大学卢思宇教授等人报道了一种由四氧化三钴（Co3O4）上周期性排列的Ru原子阵列组成的新型OER电催化剂，其中Ru原子取代了表面晶格Co原子。
文章要点
1、所制备的高性能电催化剂（记为Ru array-Co3O4）允许OPM-型OER途径，因此Ru array-Co3O4需要低过电位（Ej10=160 mV）就能在0.5 M H2SO4中达到10 mA cm-2的电流密度，同时在Ej10下提供7.7 s-1的转化频率（TOF）。
2、operando 18O同位素标记的差分电化学质谱（DEMS）、电化学衰减全反射表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）和密度泛函理论（DFT）计算证实，对纯RuO2（3.1 Å），Ru array-Co3O4中的对称Ru-Ru位点具有更短的Ru-Ru原子间距离（2.5 Å），能够实现有效的O*-O*耦合，从而在热力学上有利于OPM的打开。
3、此外，在1500 h的测试中，Ru array-Co3O4表现出优异的长期耐久性，降解速率低至0.07 mV h-1，Ru溶解量仅为0.066 μmol L-1，比文献中其他代表性的酸性稳定OER电催化剂提高了几倍。因此，优化后的Ru array-Co3O4表现出优异的性能，在100 h的测试中，仅需1.63 V达到1.0 A cm-2的电流密度，并且电池电压没有显着增加。理论分析表明，稳定的Co-O-Ru界面降低了Ru-O的共价，降低了Ru的价态以防止过氧化，从而抑制了O空位的产生和Ru的溶解。总之，本工作为打开OPM和设计具有高固有的、总活性的强酸性OER电催化剂提供了一种新方法。
图文展示
图1.比较已报道Ru基电催化剂的OER机制
图2. Ru array-Co3O4电催化剂的结构分析
图3.活性和稳定性研究
图4. Ru array-Co3O4的OPM机理研究
图5.机理研究
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