南洋理工大學&香港城市大學張華團隊Nano Energy：用多層納米片合成RuNi合金納米結構，實現高效電催化析氫

【引言】

貴金屬納米材料的結構控制是一種有效的、強有力的催化性能改善策略。特別是二維（2D）貴金屬納米片已經得到了廣泛的關注。由于其獨特的二維特性，這些材料表現出較大的表面積，可提供高密度的表面活性位點，使反應物易于進入，從而大大提高了催化活性。電催化析氫反應（HER）是水分解過程中的關鍵步驟，而在堿性溶液中，由于反應動力學緩慢，反應速率一般會下降2-3個數量級。因此，迫切需要在堿性溶液中尋找高效HER的新型電催化劑。最近，由于Ru-H的鍵合強度與Pt-H的鍵合強度相似，Ru基催化劑已被開發為高效HER的良好候選者。然而，它們的廣泛應用仍然受到Ru的高成本和稀缺性的限制。為了降低成本，將Ru與地球上豐富的3d過渡金屬（例如Ni）合金化應該是一種簡便而有效的方法。此外，這可以進一步提高了合金材料的催化性能，因為已證明3d-過渡金屬對于水的分解是有效的。

【成果簡介】

近日，在南洋理工大學和香港城市大學張華教授團隊（通訊作者）帶領下，與天津大學、中科院物理所和新加坡A*STAR材料研究與工程研究所合作，首次報道了通過一鍋溶劑熱法制備由多層納米片組成的RuNi合金納米結構，稱為RuNi NSs。得益于其獨特的二維多層納米片結構和合金化效果，RuNi NSs的電化學活性表面積（ECSA）高達154 m²?g^-1，從而在堿性溶液中對HER具有出色的電催化性能。在10 mV cm^-2處只有15 mV的低電勢和28 mV dec^-1的小Tafel斜率。這些結果比市售Ru/C和最先進的Pt/C催化劑要好得多，并且也是最近報道的最具代表性的HER電催化劑之一。相關成果以題為“Synthesis of RuNi alloy nanostructures composed of multilayered nanosheets for highly efficient electrocatalytic hydrogen evolution”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1?RuNi NSs的結構和組成表征

（a）RuNi NSs的低倍TEM圖。

（b）單個RuNi NS的高倍TEM圖。

（c）單個RuNi NS的SAED圖。

（d）單個RuNi NS內部區域的高分辨率HAADF-STEM圖像。插圖：相應的FFT模式。

（e）（d）中白色方塊的傅里葉濾波HAADF-STEM圖像。

（f）單個RuNi NS邊緣區域的高分辨率HAADF-STEM圖像。

（g，h）兩個RuNi NSs（g）和單個RuNi NS（h）的邊緣區域拍攝的HAADF-STEM圖和相應EDS元素分布圖。

圖2?RuNi NSs的XRD圖譜和XPS圖譜

（a）RuNi NSs的XRD圖譜。

（b-d）RuNi NSs的Ru 3d（b），Ru 3p_3/2（c）和Ni 2p_3/2（d）的XPS光譜。

圖3?RuNi NSs的HER電化學性能測試

（a）以5 mV s^-1的掃描速率測試的RuNi NSs，Ru/C，Pt/C，Ru納米片和Ni納米片的HER極化曲線。

（b）（a）中相應的極化曲線獲得的Tafel圖。

（c）RuNi NSs，Ru/C和Pt/C在10 mA cm^-2的過電位。

（d）RuNi NSs的耐久性測試。在1.0 M KOH溶液中，在0.1和-0.1 V（vs. RHE）之間10000次循環前后測量極化曲線。

（e）通過CO汽提法估算的RuNi NSs，Ru/C和Pt/C的ECSA。

（f）比較RuNi NSs，Ru/C，Pt/C和一些最近報道的HER電催化劑在1.0 M KOH溶液中的TOF值。

圖4 RuNi NSs的DFT理論計算

（a）H在Ru(0001)、Pt(111)、RuNi(0001)表面的吸附自由能。

（b）H在RuNi(0001)表面的吸附構型。

（c）計算Ru(0001)、Pt(111)、RuNi(0001)表面的H₂O離解能。

（d）RuNi(0001)表面上吸附的H₂O解離構型。

【小結】

總之，首次通過簡便的溶劑熱法制備了由具有hcp相的多層納米片組成的RuNi合金納米結構（RuNi NSs）。更重要的是，RuNi NSs已被證明對堿性溶液中電催化析氫非常有效。例如，它在10 mA cm^-2處顯示出15 mV的較低過電位，而Tafel斜率低至28 mV dec^-1。RuNi NSs的這種活性遠遠優于商業Ru/C和Pt/C催化劑，并且也是最近報道的代表性HER電催化劑中最好的。正如通過CO汽提實驗和理論計算所證明的那樣，RuNi NSs出色的HER活性取決于其高電化學活性表面積（154 m²?g^-1）和Ni合金化效應，可以在堿性介質中的HER過程中優化，包括H₂O分解以及H吸附和解吸。團隊的研究為合理設計和合成用于高效電催化應用的獨特納米結構提供了新途徑。

文獻鏈接：Synthesis of RuNi alloy nanostructures composed of multilayered nanosheets for highly efficient electrocatalytic hydrogen evolution（Nano Energy, 2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104173）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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