AM: 中科大宋礼报道3.83%单分子Ru掺在Ni5P4中用于高活性碱性制氢

纳米技术

2020-03-19

发展高活性的碱性条件中的水分解电催化剂是实现氢能利用的重要条件。中国科学技术大学的宋礼制备了Ru-Ni₅P₄材料，并在分解水上展现了非常高的催化活性。通过将Ru³⁺掺杂在Ni(OH)₂的缺陷中，通过磷化策略得到3.83 %单分子Ru掺杂的Ni₅P₄材料。通过电子顺磁共振法、X射线测试、透射电子显微镜验证了Ni缺陷位点和Ru阳离子之间的强相互作用。证明Ni₅P₄纳米材料中包含高达3.83 wt%的单原子Ru。

本文要点：

（1）制备方法。

       首先用NiCl₂和环氧丙烷反应（滴加环氧丙烷）生成Ni(OH)₂。通过改变溶剂（乙醇、水）实现了对缺陷的控制，随后将RuCl₃分散在Ni(OH)₂水分散液中搅拌，得到Ru分散在Ni空穴的Ru-Ni(OH)₂。将Ru-Ni(OH)₂和NaH₂PO₂混合，在400 ℃的Ar气氛中处理2小时，得到Ru掺杂的Ni₅P₄。

（2）通过XAFS方法对材料的进行表征发现，Ni的L₃和L₂峰由于向Ru转移电荷，峰强度降低。Ru掺杂后显示形成了Ru-P和极少量Ru-Ni化学键，未见Ru-Ru化学键，说明Ru以单原子形式掺杂。

       通过密度泛函理论对材料的能带结构、电子性质进行了表征。对分解水的活化能进行表征。掺杂Ru后的材料导电性得以提高，发现电荷集中在Ru位点。H₂O分子吸附机理显示Ru-Ni₅P₄在热力学上是比Ni₅P₄更容易水吸附。

（3）在碱性条件下展现了17 mV的起始过电势，在10 mA/cm²的电流密度中实现了54 mV过电势，Tafel为52 mV/degree。这种材料在长时间催化过程中体现了较好的催化性能。

参考文献

Qun He, Dong Tian, Hongliang Jiang, Dengfeng Cao, Shiqiang Wei, Daobin Liu, Pin Song, Yue Lin, Li Song*

Achieving Efficient Alkaline Hydrogen Evolution Reaction over a Ni₅P₄ Catalyst Incorporating Single-Atomic Ru Sites.

Adv. Mater. 2020, 32, 1906972. DOI: 10.1002/adma.201906972

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906972

作者介绍

宋礼，中国科学院物理所博士（导师：解思深 ），随后在德国慕尼黑大学（合作导师：Katthaus 教授）和美国Rice大学（合作导师： Ajayan 教授）做博士后工作。现为中国科学技术大学博士生导师，教授。

主页：http://staff.ustc.edu.cn/~song2012/index.htm

研究领域：

1、低维碳纳米材料和纳米结构

2、二维层状量子功能材料的物性与应用基础研究

3、基于纳米材料的同步辐射精细表征研究