Nature Commun：阳离子吸附硫酸根增强RuO2的OER耐久性

纳米技术

2023-12-08

对于质子交换膜水电解槽中的OER反应，RuO₂是最有可能替代目前主流的昂贵铱催化剂的一种材料。但是，RuO₂的不饱和配位晶格氧容易发生过度氧化，并且由于酸性腐蚀条件和高氧化电位作用容易形成氧空位。氧空位相邻的钌原子能够氧化形成可溶性高价态物种，引起RuO₂晶体结构的坍塌，这导致RuO₂的稳定性非常差。

有鉴于此，沙特阿卜杜拉国王科技大学卢旭等报道一种氧阴离子保护策略，通过形成配位饱和晶格氧来防止RuO₂表面形成氧空位，从而保证较好的催化活性与催化稳定性。

主要内容：

（1）

通过密度泛函理论计算、电化学测量和原位光谱表征，说明硫酸钡锚定能够阻碍钌的溶解，因此能够在酸性OER反应中增加催化剂的寿命并且保持活性。

（2）

根据不同金属阳离子和阴离子之间的结合能区别，筛选发现Ba修饰硫酸根阴离子能够保护晶格氧原子，Ba_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2−δ催化剂在0.5 M H₂SO₄电解液中达到10 mA cm^-2电流密度的过电势仅为206 mV，同时稳定性达到>1000 h，比RuO₂的稳定性显著提高。

通过DFT理论计算和一系列原位光谱表征，发现Ba能够吸附硫酸根、硫酸根能够阻碍晶格氧的过渡氧化、稳定氧中间体物种的吸附能、能够将反应的决速步骤转变。此外DFT计算还发现W能够加快反应决速步骤从吸附水分子解离转变为生成*OOH。通过Ba保护晶格氧策略、W降低反应过电势，显著增强酸性OER性能。

这项工作为设计稳定高活性酸性阳极分解水催化剂提供一条新方法。

参考文献

Yanrong Xue, Jiwu Zhao, Liang Huang, Ying-Rui Lu, Abdul Malek, Ge Gao, Zhongbin Zhuang, Dingsheng Wang, Cafer T. Yavuz & Xu Lu, Stabilizing ruthenium dioxide with cation-anchored sulfate for durable oxygen evolution in proton-exchange membrane water electrolyzers. Nat Commun 14, 8093 (2023)

DOI: 10.1038/s41467-023-43977-7

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43977-7