Nano Energy:具有本征缺陷的二维RuO2/石墨烯异质结构用作全pH高活性OER催化剂

雨辰

2020-08-13

电解水反应中的析氧反应（OER）因其缓慢的动力学特征成为制约电解水反应整体效率的瓶颈。探索高活性和稳定的析氧电催化剂是电化学水分解和可再生化学转化的关键。RuO₂是非常具有潜力的一种析氧电催化剂，但要实现在全pH范围内高效电催化仍是一项较大的挑战。

有鉴于此，中科院大连化物所吴忠帅研究员等人，利用氧化石墨烯的氧团簇限域氧化Ru前驱体，制备出一种具有本征氧缺位的氧化钌与石墨烯的二维异质结高效催化剂。

本文要点

1）提出了一种限域氧化的新策略，使用富氧的单层氧化石墨烯作为2D载体并利用有限的氧基团对Ru³⁺前驱体进行氧化，进而形成超薄的具有氧缺位的RuO₂纳米晶/石墨烯2D异质结构（2D D-RuO₂/G）。

2）由于氧化石墨烯与Ru前驱体的强配位作用，该二维结构具有9 nm的超薄厚度、125 m² g^-1的高比表面积和4欧姆的低电阻，以及不饱和的Ru-O₅配位和丰富的表面羟基等特点，因此2D D-RuO₂/G是一种具有高活性和稳定性的全pH值OER催化剂。在H₂SO₄溶液和KOH溶液中，2D D-RuO₂/G在电流密度为10 mA cm^-2的过电势为169和175 mV，在1.5 V时TOF为1.07和1.25 S^-1。

3）DFT计算表明，RuO₂（110）表面的桥位氧空位可以显着增强顶部Ru位点上氧物种的吸附和氢离解，将能垒从0.77 eV降低到0.58 eV，从而显著提升酸性和碱性电解液中的析氧活性。

总之，该工作为二维催化剂缺陷结构和电子调控以及全pH析氧电催化剂的设计提供了一种新的思路。

参考文献：

Yaguang Li et al. 2D intrinsically defective RuO2/Graphene heterostructures as All-pH efficient oxygen evolving electrocatalysts with unprecedented activity. Nano Energy, 2020.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105185

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105185