黃富強(qiáng)課題組利用新型介孔二氧化鈦晶體的釕原子單分散以及電化學(xué)高效析氫
氫氣作為資源豐富、可再生的清潔能源，長(zhǎng)期以來(lái)令人矚目。最為簡(jiǎn)便的大規(guī)模制備氫氣的電解水方法，高度依賴于優(yōu)異的析氫電催化劑。催化劑的活性物質(zhì)大都為鉑等貴金屬，然而貴金屬過(guò)于貴稀而影響了推廣應(yīng)用。貴金屬催化劑分散在載體上可以提高貴金屬的利用率，從而降低貴金屬使用的成本。然而，價(jià)格僅為鉑二十五分之一的貴金屬釕，作為析氫反應(yīng)（HER）催化劑，卻鮮有研究。開(kāi)發(fā)出新型高效的釕析氫催化劑，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。
北京大學(xué)黃富強(qiáng)教授，北京航空航天大學(xué)劉利民教授與北京工業(yè)大學(xué)的隋曼齡教授（共同通訊作者）在近期的J. Am. Chem. Soc. 上發(fā)表了一篇題為“Well-Dispersed Ruthenium in Mesoporous Crystal TiO2 as an Advanced Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”的文章。該文章中，研究人員開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)特的仿生礦化刻蝕法，合成釕原子單分散的介孔單晶TiO2，析氫性能極其優(yōu)異。高分辨透射電子顯微鏡與元素面掃描測(cè)試結(jié)果表明，單個(gè)釕原子的均勻分散在具有介孔結(jié)構(gòu)的TiO2晶體中。結(jié)合X射線光電子能譜與電子順磁共振測(cè)試結(jié)果，首次證實(shí)，釕表現(xiàn)出異常的+5高價(jià)態(tài)而非+4價(jià)，而晶格中的部分鈦原子接收來(lái)自釕的電子形成Ti3+。在0.1 M KOH電解液中，Ru-TiO2的起始過(guò)電勢(shì)僅為82 mV，通過(guò)鋁還原調(diào)節(jié)樣品的電子結(jié)構(gòu)，其析氫性能得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，起始過(guò)電勢(shì)降低至45 mV，10 mA/cm2的電流密度下過(guò)電勢(shì)僅為150 mV。通過(guò)第一性原理的密度泛函計(jì)算證明，Ru5+與Ti3+協(xié)同作用降低了氫吸附能，使得其與氫吸附火山頂更為接近，從而獲得優(yōu)異的電化學(xué)析氫性能。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究生農(nóng)淑英和董武杰，以及北京航空航天大學(xué)尹駿聞為共同第一作者。
圖1.（a）介孔TiO2晶體制備過(guò)程；（b）介孔TiO2晶體TEM圖像;（c）介孔R(shí)u-TiO2晶體元素分布圖譜；（d）R-TiO2:Ru(5%)，TiO2:Ru(5%)，TiO2，RuO2與Pt/C的LSV曲線；（e）HER氫吸附自由能圖。
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