Nano Energy：Ru-Ni夾層納米片電催化劑用于高效水解

cc 6年前 (2018-02-25) 4409瀏覽

【引言】

水解是一種最具前景的產氫和產氧方式。HER和OER兩個反應均需要有效的催化劑來降低反應所需的過電位并且加速反應的進行。Pt對于HER來說仍舊是目前最具活性的金屬，因為其具有0V的起始電位以及低的塔菲爾斜率。傳統的OER催化劑是Ir和Ru。但是，貴金屬用于水解在實際應用中仍有一些不足，比如儲量低，價格昂貴等。因此，實現高效Pt（或Ru，Ir）基納米催化劑用于水解是理想化的但同時也是具有挑戰的。

幾年來，納米催化劑界面的發現吸引了研究人員更多的關注，因為其在調節催化劑活性和穩定性中具有重要的作用。將貴金屬和非貴金屬結合不僅能夠降低貴金屬的用量而且通過調節界面原子排布也能提升性能。就這一點而言，最大原子界面接觸/或兩種材料的相互作用在將電催化劑性能提升到極致方面變得非常重要。

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學的黃小青教授等人在Nano Energy上發表文章，題為：Ruthenium-Nickel Sandwiched Nanoplates for Efficient Water Splitting Electrocatalysis。研究人員開發了一種未曾報道過的具有相分離的夾層形貌的Ru-Ni異質結電催化劑。Ru在Ni柱兩端選擇性生長，表明界面在Ru和Ni區域形成。作者發現Ru-Ni夾層納米片（SNs）在堿性溶液中堆HER和OER均具有很低的塔菲爾斜率和過電位。在全解水過程中，最優化的Ru-Ni夾層納米片具有1.45V的低的起始電位并且具有極佳的穩定性。

【圖文導讀】

圖1. 結構分析

(a) TEM圖(插圖為理想模型)；

(b) HAADF-STEM圖；

(c, d) (c)平行和(d)垂直于Ru2Ni2 SNs<001>方向的HRTEM圖；(c)和(d)中的插圖分別是平行和垂直于<001>方向的理想模型；

(e) Ru2Ni2 SNs的線掃；

(f-h) EDS元素分布圖：(f) Ru2Ni2 SNs；(g) Ru2Ni1 SNs；(h) Ru2Ni3 SNs)；

圖2.HER性能測試

(a) Ru-Ni SNs/C, Pt/C，Ir/C在0.1M KOH溶液中的HER極化曲線；

(b)在10 mA cm-2 的過電位以及相應的塔菲爾斜率；

(c) Ru-Ni SNs/C, Pt/C，Ir/C在1M KOH溶液中的HER極化曲線；

(d)在10 mA cm-2 的過電位以及相應的塔菲爾斜率；

圖3. OER性能測試

(a) Ru-Ni SNs/C, Pt/C, Ir/C在0.1M KOH溶液中的OER極化曲線；

(b)在10 mA cm-2 的過電位以及相應的塔菲爾斜率；

(c) Ru-Ni SNs/C, Pt/C, Ir/C在1M KOH溶液中的OER極化曲線；

(d) 在10 mA cm-2 的過電位以及相應的塔菲爾斜率；

圖4. 性能表征

(a) Ru-Ni SNs/C，Pt/C的HER好OER的IR校正極化曲線(a) 0.1 M KOH；(b) 1 M KOH；

(c) Ru2Ni2 SNs/C兩電極體系全解水IR校正計劃曲線；插圖為Ru2Ni2 SNs/C的HER和OER的IR校正極化曲線；

(d)在10 mA cm-2下Ru2Ni2 SNs/C，Ir/C，Pt/C穩定性；

圖 5. 元素成分分析

Ru2Ni2 SNs/C的XPS圖：(a) Ru 3d； (b) Ni 2p；

XPS圖的元素面積比：(c) Ru4+/Ru0；(d) Nix+/Ni0；

【總結】

研究人員采用濕化學法制備獨特的Ru-Ni夾層納米片，同時Ni柱插入兩個Ru六邊形環的電催化劑。作者發現在堿性溶液中的HER, Ru2Ni2 SNs/C 具有最優化的界面而且展現出了低的過電位和塔菲爾斜率。對于OER，Ru2Ni2 SNs/C 同樣展現出了更低的過電位和更低的塔菲爾斜率。在全解水過程中，最優化的Ru-Ni夾層納米片具有1.45V的低的起始電位并且具有極佳的穩定性。

文獻鏈接：Ruthenium-Nickel Sandwiched Nanoplates for Efficient Water Splitting Electrocatalysis，(Nano Energy, 2018, DOI:doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.02.017)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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