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Nature Nanotechnology:电催化RuO₂-酸性析氧反应

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酸性析氧反应的动力学十分缓慢,需要克服较大的过电位,这成为质子交换膜水电解技术的关键瓶颈。

苏州大学邵琪教授、刘阳教授、康振辉教授,厦门大学黄小青教授,马克斯·普朗克固体化学物理研究所胡志伟等人展示了一种共边单层氧化物——1T相RuO2(1T-RuO2)。其共边结构使得相邻RuO6八面体簇中的Ru 4d轨道能够平行对齐,从而促进晶格间电子传输,这与传统采用角共享或边共享结构的金红石型RuO2形成对比。1T-RuO2在酸性条件下表现出优异的析氧反应活性,在10 mA cm-2电流密度下仅需77 mV的过电位。此外,在1.50 V下,其质量活性和TOF分别达到3743.43 A gRu-1和23.99 s-1,优于金红石型RuO2,在所描述的实验条件下展现出极具竞争力的性能。此外,在质子交换膜水电解槽中,1T-RuO2在1.70 V的电解电压下可保持约2.9 A cm-2的电流密度超过1100小时。

相关工作以《Edge-sharing RuO2 single layer for stable and low overpotential acidic water electrolysis》为题在《Nature Nanotechnology》上发表论文。



图1 1T-RuO2的表征

本文报道了利用两步载气辅助熔融碱策略制备1T相RuO2(1T-RuO2)单层材料的方法。TEM图像进一步证实了该材料的片层状形貌(图1a)。AFM图像同时显示,样品平均厚度为~0.795 nm(图1b)。如图1c 所示,XRD谱图分析显示出 4 个尖峰,该组衍射峰与原料以及金红石相RuO2的衍射峰均不匹配。上述衍射峰归属于(0001)、(0002)、(0003)和(0004)晶面衍射信号,进一步证明该材料为沿c轴方向堆叠的高结晶度层状材料。HRTEM图像及其对应的快速傅里叶变换图案证实1T-RuO2具有高结晶度。放大图像(图1d、f)可清晰观察到钌原子呈六方排布。由于氧的原子序数远小于钌,氧原子信号强度过低而无法被观测到。与此同时,SAED图案(图1e)同样与1T-RuO2的三方晶体结构相吻合。图1g中蓝球与红球分别示意1T-RuO2内部Ru原子和O原子的实际排布方式。


图2 1T-RuO2的结构

图2a为归一化处理后的1T-RuO2的Ru的K边XANES谱图,同时给出金属Ru与金红石相RuO2的谱图作为参照。1T-RuO2的Ru的K边XANES吸收边能量位置略低于金红石相 RuO2与商用RuO2(C-RuO2),据此估算1T-RuO2中钌的氧化态为3.8价。图2b展示了Ru的K边FT-EXAFS谱。图2c中1T-RuO2的谱图显示,通过拟合得到Ru-O6和Ru-Ru6壳层的键长分别为2.01 Å和3.09 Å。图2c、d展示了1T-RuO2和金红石型RuO2中钌离子第一配位层的拟合曲线,与实验谱图吻合良好。图2e-g和图2h-j分别展示了1T-RuO2和金红石型RuO2的结构模型。


图3 1T-RuO2的酸性OER性能

随后,在O2饱和的1.0 M HClO4溶液中,采用标准三电极体系对1T-RuO2、金红石相RuO2、C-RuO2以及商用IrO2(C-IrO2)的OER性能进行测试。本文探究了不同催化剂负载量对OER性能的影响,最优催化剂负载量确定为283.00 ug cm-2。LSV曲线表明,在本实验条件下,1T-RuO2的析氧反应活性优于所有参比催化剂(图3a)。 图3b显示,1T-RuO2的起始过电位仅为12 mV,远低于金红石相RuO2、C-RuO2和商用IrO2(分别为86 mV、178 mV、185 mV)。如图3a、c所示,对于1T-RuO2,仅需77 mV的过电位即可达到10 mA cm-2的电流密度,比金红石相RuO2低268 mV,表明1T相在提升OER活性方面起着重要作用。相比之下,C-RuO2和C-IrO2在10 mA cm-2时分别需要277 mV和302 mV的较大过电位。

此外,还测试了1T-RuO2生成O2的法拉第效率(FE)。环电流与盘电流的比值显示,1T-RuO2在OER中的FE高达97.3%(图3d)。然而,金红石相RuO2、C-RuO2和C-IrO2的FE分别为87.8%、90.1%和90.4%。在1.0 M HClO4溶液中,以10 mA cm-2电流密度进行恒电位测试,评估1T-RuO2的运行稳定性。1T-RuO2实现了超过358小时的连续运行,在测试结束时过电位达到106 mV。稳定性测试还延伸至0.5 M H2SO4溶液中,1T-RuO2在该条件下保持了约3000小时的电流密度达10 mA cm-2,远超迄今为止报道的大多数先进钌和铱基催化剂的稳定性(图3e)。

最后,在质子交换膜电解池中使用1T-RuO2作为阳极催化剂(图3f)。图3g显示了1T-RuO2阳极催化剂的极化曲线,在电压为1.710 V时,电流密度达到3 A cm-2。如图3h所示,采用1T-RuO2催化剂的质子交换膜电解池在电压为1.7 V条件下,可维持约2.9 A cm-2的电流密度超过1100小时。所有这些结果表明,1T-RuO2催化剂在工业应用方面具有巨大潜力。


图4 1T-RuO2的催化机理

为了揭示1T-RuO2超低过电位背后的机制,首先利用轨道依赖型紧束缚能带结构计算,研究晶体结构如何影响其输运性质。在金红石结构中,Ru-O团簇构成共顶点连接网络,两个相邻的RuO6簇主对称轴相互正交,从而产生三种可能的Ru 4d t2g空穴构型(图4a-c)。可以看出,在交叉配对轨道下,沿[100]和[110]晶面的紧束缚(TB)能带结构呈平带特征,这强烈抑制了电子跃迁,导致电子的有效质量增大,进而使ab面的输运性能较差。

在1T-RuO2中,所有RuO6簇通过边缘共享连接。1T-RuO2中Ru位点的局部对称性为D3d。通过TB计算(图4d-f)发现,三个t2g轨道均表现出较大的带隙分散,表明这些轨道可能有助于实现高电子导电性。这种增强的电子导电性也由1T-RuO2中Ru 4d轨道在费米能级附近投影态密度更高的结果所支持。最关键的因素是,沿z轴偏振的轨道参与了电子导电。由于OER过程中电子交换主要发生在表面,因此沿表面法向偏振的轨道若参与导电,将有助于提升OER性能。

接下来,对Ru的K和L3边进行了XAS实验,以获取Ru的价态和局部结构信息,结果如图4g、h所示。随着电位升高,XANES吸收边位置向更高能量端移动,表明在OER条件下Ru的价态升高,暗示了Ru的溶解。EXAFS拟合结果显示,在施加电位下,Ru-O配位数从5.7减少至5.4,Ru-Ru配位数从5.6降低至4.9,并出现一种新的较短的Ru-Ru键长(约2.88 Å)。这表明在该过程中出现了钌与氧空位,导致明显的结构畸变。这种结构畸变进一步影响了空位周围Ru原子的电子结构,使其Bader电荷增加,并在费米能级附近形成d带中心,从而有利于析氧反应的进行。因此,为了后续的理论计算,将钌和氧空位引入到1T-RuO2模型结构中。

最后,通过计算OER过程的吉布斯自由能差(ΔG),直接测定1T-RuO2和金红石型RuO2的热力学过电位。对于1T-RuO2,同时考虑了面内位点和边位点。如图4i所示,计算得到的OER过程ΔG表明,金红石型RuO2的(110)表面热力学过电位为0.60 V。而在1T-RuO2中,OER过程的ΔG明显依赖于活性位点的位置。对于1T-RuO₂的(0001)表面,即主要暴露的晶面,由于OH*吸附困难,其热力学过电位高达1.31 V;然而,随着空位引入的Ru的氧化态升高,速率决定步骤变为OOH*的生成,计算得出的热力学过电位降至0.51 V,比金红石型RuO2低约90 mV。此外,对于(10-10),热力学过电位降低至0.38 V,若考虑更高的Ru氧化态,则进一步降至0.34 V,相比金红石型RuO2降低了260 mV。

为了证明OER在1T-RuO2中的AEM路径,进行了原位18O同位素标记的微分电化学质谱(DEMS)测量。在第一步中,使用1.0 M HClO4/H218O测试的1T-RuO2的DEMS信号主要由36O2组成。如图4j所示,在清洗电极并更换电解液(为1.0 M HClO4/H216O)后,第二步中1T-RuO2催化剂在析氧反应过程中产生的O2主要为32O2,仅检测到0.3%的34O2,且未检测到显著的36O2生成。这些结果表明,晶格氧原子几乎未参与O2的生成,说明AEM在1T-RuO2催化剂上占主导地位,从而排除了晶格氧机制的可能性。

随后在不同的施加电位下进行了ATR-FTIR测量。如图4k、l所示,在1.3 V处出现了一个新的吸收峰,波数为1029 cm-1,归属于电极在析氧反应路径中关键的中间体*O-OH。该峰的强度随电位显著增强,表明大量反应中间体被生成,进一步证实了AEM机制的存在。此外,在约3390 cm-1处也出现了宽吸收峰,归属于吸附水的OH伸缩振动模式,该吸附水包含三种不同类型的水分子:强氢键水(3200 cm-1)、弱氢键水(3400 cm-1)和游离水(3600 cm-1)。该峰的强度同样随着施加电位的升高而迅速增强。结果表明,在低电位时,存在少量游离水的振动;但随着偏压增加,游离水的比例逐渐降低,表明形成了促进反应的氢键网络。因此,可以认为1T-RuO2优异的OER性能可归因于以下因素:二维超薄结构导致的活性位点丰富;边缘共享网络使得位点间电子跳跃成为可能;以及具有优化吸收能的独特活性位点。

文献信息

Edge-sharing RuO2 single layer for stable and low overpotential acidic water electrolysis,Nature Nanotechnology,2026.

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02255-5

(来源:网络版权属原作者 谨致谢意)

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