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导语 Ru及合金是一类在酸性和碱性中均具有优异氢析出（HER）活性的材料。然而，Ru基合金用于氧析出时会在高电位下被迅速氧化而腐蚀。为此，将钌进行功能化改性构建氧化物可以激活材料OER活性。如将Ru包覆一层IrOx皮肤，能够有效抑制内核溶解，同时IrOx皮肤和Ru核之间存在应力作用，可以改善材料OER活性和稳定性。但是，核壳结构诱发的界面电荷作用和应力作用具有短程有效性，说明需要构建具有亚纳米尺度的功能性皮肤才能有效施加应力作用，调控电子结构，从而有望赋予材料多功能电催化性能。鉴于此，本工作在具有HER活性的Ru核外披上一层超薄的RuO2外骨骼，构建了一种具有HER和OER双活性的核壳异质结构，在广泛pH范围内实现了电解水性能提升。 氢能由于其清洁无污染、热值高、可循环等特点而受到广泛的关注。而电解水制氢是一种清洁的制氢方式，但是仍有一些因素制约其发展，其中，氧析出（OER）和氢析出（HER）催化剂是决定绿氢制备成本的关键因素。尽管廉价的3d周期过渡金属氧化物（氢氧化物），金属有机框架化合物（MOF）等材料OER性能优异，但其在酸性中会被溶解；而Pt基催化剂在酸性中明显产氢的过电位尽管只有几十毫伏，在碱性中的HER性能却比酸性中低2-3个数量级，导致了电解槽中阴阳极催化剂的最佳工作条件不匹配，因此亟需发展具有pH普适活性的材料。 近日，来自中国科学技术大学的章根强教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Arming Ru with Oxygen Vacancy Enriched RuO2 Sub-nanometer Skin Activates Superior Bifunctionality for pH-Universal Overall Water Splitting”的研究文章（DOI: DOI: 10.1002/adma.202206351）。该文章首次报道了一种亚纳米尺寸RuO2外骨骼修饰Ru的核壳结构，实现了酸性和碱性环境中电解水性能提升，加速了可再生能源到绿氢的转换。 前沿科研成果
图1. Ru@V-RuO2/C HMS的合成过程、形貌和微结构分析（来源：Advanced Materials） 该核壳结构的合成相对简单。首先，利用三聚氰胺的氨基与Ru3+之间的静电作用，能大量制备富含Ru3+的三聚氰胺分子晶体。随后将其在Ar气中快速退火，能够形成Ru纳米团簇均匀分布的碳基微米片——Ru/C HMS。最后，通过调控反应温度和时间，在200 oC低温氧化3 h即可在Ru团簇表面均匀披上一层薄薄的富含氧空位的RuO2外骨骼，激活其OER活性，并优化了HER活性。
图2. Ru@V-RuO2/C HMS的OER和HER性能评估（来源：Advanced Materials） 研究发现，Ru/C HMS几乎没有OER活性，但在表面披上一层具有氧空位的RuO2外骨骼后，OER活性得到了显著提升，在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH中分别仅需176和201 mV的过电位即可达到10 mA cm-2，同时循环稳定性也明显增长。另外，Ru@V-RuO2/C HMS的HER活性相比Ru/C HMS得到了进一步改善，达到10 mA cm-2时的过电位仅仅为47 mV（0.5 M H2SO4）和6 mV（1.0 M KOH）。因此，RuO2外骨骼修饰的Ru基核壳结构实现了HER和OER双功能活性的集成，可直接用于酸/碱电解水。该研究工作对于核壳结构的可控构筑提供了新的研究思路。 作者简介 |
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