齊利民課題組在高效全電解水催化劑研究中取得重要進(jìn)展
電化學(xué)分解水被認(rèn)為是一項最有希望應(yīng)用于大規(guī)模產(chǎn)氫的技術(shù)，但它需要研發(fā)高效的電催化劑，以應(yīng)對由陰極氫析出反應(yīng)（HER）和陽極氧析出反應(yīng)（OER）的緩慢動力學(xué)引起的高過電勢。最近，過渡金屬基催化劑，尤其是易于合成且組成和結(jié)構(gòu)易于調(diào)節(jié)的過渡金屬氧化物（TMOs），已被廣泛研究應(yīng)用于高效的水分解，旨在替代昂貴的Pt基HER和Ir基OER催化劑。然而，開發(fā)高性能的TMOs基雙功能全電解水電催化劑，仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。
最近，北京大學(xué)齊利民課題組利用金屬有機框架（MOF）納米陣列作為模板，通過原位轉(zhuǎn)化制備得到具有獨特結(jié)構(gòu)的釕-鈷氧化物（(Ru-Co)Ox）中空納米片陣列，并將其作為雙功能催化劑應(yīng)用于高效的堿性全電解水（圖1）。
圖1 (Ru-Co)Ox中空納米片陣列應(yīng)用于堿性全電解水
他們通過溫和的離子交換結(jié)合低溫空氣中退火的方法，將生長在碳布上的Co MOF納米片陣列轉(zhuǎn)化為異質(zhì)結(jié)構(gòu)且互相摻雜的(Ru-Co)Ox中空納米片陣列（圖2a）。合成得到的(Ru-Co)Ox催化劑具有優(yōu)異的HER活性，在10 mA cm–2電流密度下的過電位僅為44.1 mV且具有較小的Tafel斜率（23.5 mV dec–1）；它同時具有出色的OER活性，在10 mA cm–2電流密度下的過電位僅為171.2 mV。應(yīng)用于高效的堿性全電解水時，中空(Ru-Co)Ox納米片陣列在10 mA cm–2電流密度下僅需要1.488 V的槽電壓（圖2b-f）。(Ru-Co)Ox中空納米片陣列的優(yōu)異電催化活性可歸因于其優(yōu)化的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點，如獨特的中空納米陣列結(jié)構(gòu)、雜原子摻雜和異質(zhì)納米界面。這項工作為設(shè)計合成可應(yīng)用于高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的具有理想組成和結(jié)構(gòu)的納米陣列開辟了一條新的途徑。
圖2 (Ru-Co)Ox納米陣列的合成機理示意圖及其HER、OER和全電解水性能
該研究工作近期以“Heterostructured Inter-Doped Ruthenium-Cobalt Oxide Hollow Nanosheet Arrays for Highly Efficient Overall Water Splitting”為題在Angew. Chem. Int. Ed.發(fā)表（原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202005436）。WileyChem對該論文進(jìn)行了推介（https://mp.weixin.qq.com/s/HkjzV_5V_OB3pNtX0GNfKw）。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生王成為該論文的第一作者，齊利民教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。
謹(jǐn)以此文熱烈祝賀唐有祺先生百年華誕！
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