Nature子刊：高效釕基析氫催化劑，酸堿條件均適用

【引言】

析氫反應（HER）是電化學分解水的關鍵步驟，實際應用中需要高效、耐用、廉價催化劑。能量高效的HER反應要求催化劑必須能夠在較低過電位下觸發質子還原且要具有較快的反應動力學。酸性介質中最有效的催化劑是鉑，因為Pt-H鍵的強度與HER的反應速率相關。然而，鉑的使用面臨成本問題以及在非酸性體系中的穩定性問題。近年非貴金屬基催化劑研究較廣，但這一類催化劑容易酸腐蝕，且反應過電位較高穩定性較差，遠不如Pt基催化劑。選擇高效、穩定、pH試用范圍廣的析氫催化劑成為應用的關鍵。

【成果簡介】

近日，韓國蔚山國家科學技術研究所Jong-Beom Baek 、Noejung Park、Hu Young Jeong 三位教授（共同通訊）首次報道了Ru基析氫催化劑，催化析氫在酸性和堿性介質中均可進行，且催化活性較高。該成果發表在Nature Nanotechnology，題為 “An efficient and pH-universal ruthenium-based catalyst for the hydrogen evolution reaction”。該催化劑為分散在氮化二維碳結構孔中的Ru納米顆粒（Ru@C₂N）。 Ru@C₂N催化劑具有較高的周轉頻率、較小的過電位以及在酸性和堿性中優異的穩定性。這些性能與Pt / C催化劑相當，甚至更優。

【圖文導讀】

圖1. Ru@C₂N催化劑的合成

六氨基苯（Hexaaminobenzene）和六甲基環己烷（ hexaketocyclohexane）在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）中反應形成C₂N骨架， RuCl ₃作為Ru前體經過縮聚反應后由NaBH ₄還原得到Ru納米顆粒，顆粒均勻分散于C₂N層間。

圖2. Ru @ C₂N催化劑的結構表征

(a)Ru @ C₂N的XRD圖譜，六方體Ru，顆粒尺寸小且有C₂N層包裹峰變寬；

(b-d)TEM圖、FFT圖；Ru分布均勻，六方體晶格間距明顯；

(e) 電子能量損失譜（EELS）；表明C、N、Ru元素的存在

(f) STEM-EDS，元素分布mapping圖。

(g) Ru @ C₂N的N₂吸附/解吸等溫線，插入圖為孔徑分布，大部分孔徑僅有0.83nm。

圖3. Ru @ C₂N催化活性和穩定性

(a)5 M H₂SO₄ 中Co@C₂N、Ni@C₂N、Pd@C₂N、Pt@C₂N、Ru@C₂N以及 Pt/C極化曲線；

(b)與圖(a)對應的各材料的Tafel曲線；

(c)10 mA cm^–2各材料過電位（左），交換電流密度（右）對比；

對比可知Ru@C₂N起始電位、10 mA cm^–2過電位略高于Pt/C，但遠低于其他材料；而 Tafel斜率為30 mV decade^–1略大于Pt/C。

(d)Pt/C和Ru@C₂N穩定性測試，10000次CV循環前后極化曲線對比；Pt/C極化曲線負移，Ru@C₂N正移約10 mV展現了突出的電化學穩定性；

(e)1M KOH 中Co@C₂N、Ni@C₂N、Pd@C₂N、Pt@C₂N、Ru@C₂N以及 Pt/C極化曲線；

(f)與圖(e)對應的各材料的Tafel曲線。Ru@C₂N在10 mA cm^–2過電位、Tafel斜率均低于Pt/C，體現其在堿性條件下催化優勢。

圖4. Ru@C₂N與其他催化劑周轉頻率（TOF）對比

(a,b) Ru@C₂N、Pt/C的TOF與近期報道的其他析氫催化材料對比；

(c,d) Ru@C₂N、Pt/C在10 mA cm^–2的過電位與近期報道的其他析氫催化材料對比。

（a,c和b,d分別為0.5 M H₂SO₄；1M KOH電解液條件下測試數據。）Ru@C₂N在酸堿條件下TOF要高于其他材料且過電位相比低很多，其固有的電催化活性較高，具有實際應用潛力。

【小結】

作者成功合成了具有強析氫催化活性的Ru@C₂N，該催化劑在酸堿溶液中均表現出優異的催化性能，具有較高的周轉頻率和較低的過電位，催化穩定性以及在堿性條件下的催化活性遠優于Pt/C，具有很好的應用前景。

文獻鏈接：An efficient and pH-universal ruthenium-based catalyst for the hydrogen evolution reaction (Nature Nanotechnology, 2017 doi:10.1038/nnano.2016.304)

本文由材料人新能源學術組 Starkle?供稿，材料牛編輯整理。

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