青科大AEM：RuO2与短程有序钽单原子强化酸性OER

二氧化钌(RuO2)作为IrO2最有前途的替代品之一，在酸性析氧反应(OER)中存在Ru活性位点严重溶解和过氧化的问题，阻碍了其实际应用。本研究构建了具有不对称Ru-O-Ta(-O-Ta)活性单元的短范围有序钽单原子掺杂RuO2催化剂(Ta-RuO2)，用于增强酸性OER。Ta-RuO2催化剂表现出优异的催化活性，在10 mA cm−2下的过电位为201 mV，持久稳定性为280 h。物理表征结合电化学测试表明，原子排列的Ta原子的掺入引起了显著的拉伸应变，通过调节Ru带中心和削弱Ru-O共价有效地优化了含氧中间体的吸附强度，从而提高了催化活性。此外，在OER过程中，由于Ta-O键的强耐腐蚀性和电子通过氧桥从Ta转移到Ru，稳定了Ru位点，形成的Ru-O-Ta(-O-Ta)活性局部结构得到了很好的维持，从而增强了稳定性。该研究提供了一种新的方法，通过加入耐腐蚀和短程有序单原子来显著提高经济高效催化剂的酸性OER稳定性和活性。

a) Ta-RuO2催化剂的制备示意图。b) Ta-RuO2和R-RuO2的XRD图和c) Ta-RuO2和R-RuO2的局部放大XRD图。d) Ta-RuO2的典型TEM图像。e) Ta-RuO2和。放大f) Ta-RuO2和g) R-RuO2的HRTEM图像。h) Ta-RuO2和i) R-RuO2的(110)面强度分布图。j) Ta-RuO2的HAADF-STEM像差校正图像。k-n) Ta- ruo2中O、Ru、Ta的元素映射(Ta:绿色，Ru:红色，O:黄色)。o)含短程有序Ta单原子的Ta-RuO2晶体结构。

a) Ta-RuO2、R-RuO2、RuCl3、CM -RuO2和Metallic Ru的Ru K-edge XANES光谱。b) Ta-RuO2、R-RuO2、CM -RuO2和Metallic Ru的Ru K-edge EXAFS光谱。c) Ta L3-edge XANES光谱和d) Ta- RuO2, Ta2O5和Metallic Ta的EXAFS光谱。e) Ta-RuO2、R-RuO2和CM -RuO2的高分辨率Ru 3p XPS光谱和f) Ta-RuO2的Ta 4f XPS光谱。g) Ta-RuO2的k3加权Ta L3边缘EXAFS信号的小波变换。h,i) CM RuO2和Ta-RuO2的k3加权Ru k边EXAFS信号的小波变换。

a) Ta-RuO2, c) CM -RuO2, e) Metallic Ru对应的EXAFS R空间的实验曲线及拟合结果。b) Ta-RuO2, d) CM -RuO2, f) Metallic Ru对应的EXAFS k空间的实验曲线和拟合结果。g) R-RuO2和Ta-RuO2中Ru-O-Ru和Ru-O-Ta(-O-Ta)局部配位示意图。

在0.1 M HClO4溶液中的催化性能。a) Ta-RuO2、R-RuO2和CM -RuO2的极化曲线。b)相应的Tafel斜率。c) j = 10 mA cm−2时Ta-RuO2的过电位和Ta-RuO2与R-RuO2和cm -RuO2的Tafel斜率的比较。d) Ta-RuO2、R-RuO2和CM -RuO2的Cdl。e) Ta-RuO2、R-RuO2和CM -RuO2的Nyquist图。f)在碳纸电极上恒电流密度为10 mA cm−2的耐久性试验。g) Ta-RuO2与已有报道的贵金属基催化剂在酸性介质中的OER性能比较。

a) Ta-RuO2在1.1 ~ 1.8 V vs RHE电位范围内的原位拉曼光谱。b、c)不同电化学电位下Ta-RuO2和CM -RuO2的Nyquist图，d、e) Bode相图。f,g) Ta-RuO2和CM -RuO2在OER测试前后的高分辨率Ru 3p XPS光谱。h) OER测试前后Ta-RuO2的高分辨率Ta 4f XPS光谱。

综上所述，我们将耐腐蚀的Ta引入到RuO2基体中，以提高其在酸中对OER的催化性能。原子排列的Ta原子修饰产生的拉伸应变调节了Ru的d带中心，降低了Ru-O共价，优化了氧中间体的吸附自由能，从而提高了催化活性。此外，由于电子通过氧桥键从Ta转移到Ru，在酸性OER中有效抑制了表面Ru活性位点的溶解和过度氧化。合成的Ta-RuO2催化剂表现出优异的催化活性，需要1.431 V vs RHE才能提供基准10 mA cm - 2，并且在280 h的连续测试中表现出优异的稳定性。该研究强调了短程有序原子掺杂的有效策略，可以设计用于能源设备应用的稳健和高活性酸性OER电催化剂。

RuO2 with Short‐Range Ordered Tantalum Single Atoms for Enhanced Acidic Oxygen Evolution Reaction - Wang - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library

https://doi.org/10.1002/aenm.202403388

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