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三单位联合AFM: 钌酸钇焦绿石的酸性析氧性能差，不妨试试Co掺杂

时间：2023-03-19 来源： 浏览：

三单位联合AFM: 钌酸钇焦绿石的酸性析氧性能差，不妨试试Co掺杂

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在可再生燃料电池的电解和电化学水分解中，析氧反应(OER)都是必不可少的。由于较高的离子(质子)电导率和较少的副反应，酸性环境更有利于OER。然而，可用于酸性溶液(pH<7)的电催化剂是有限的，因为大多数已知的活性化学品在苛刻的酸性条件下是不稳定的。
在这方面，钌(Ru)和铱(Ir)为新型金属电催化剂，由于其良好的稳定性和高活性而经常被使用，特别是在基于低温质子交换膜(PEM)的电解槽工作的酸性介质中。但是钌(Ru)和铱(Ir)的低储量和高昂的价格严重限制了其大规模应用。
基于此， 比利时鲁汶大学张漩、Jan Fransaer、五邑大学张弛 和 武汉大学王俊 等将Co掺入Y 2−x Co x Ru 2 O 7−δ 以实现在Ru和Co原子之间的e g 轨道电荷重新分布，从而导致催化剂在酸性条件下具有超高的OER活性。
实验结果表明，在0.5 M H 2 SO 4 中，优化的Y 1.75 Co 0.25 Ru 2 O 7−δ (YCR)催化剂具有显著提高的OER活性，其在10 mA cm −2 电流密度下的OER过电位低至275 mV，并且Tafel斜率为61 mV dec −1 ，优于Y 2 Ru 2 O 7-δ (YR)(360 mV，118 mV dec −1 )和基准RuO 2 (286 mV，86 mV dec −1 )催化剂。此外，在2000个CV循环后，YCR在10 mA cm −2 电流密度下的过电位仅下降了3.6%，并且其反应后的结构和形态没有发生明显变化。
为了更好地了解Co和Ru的活性，研究人员进一步通过吸附质演化机制(AEM)和晶格氧氧化机制(LOM)，在Ru中心和Co中心上进行了基于YCR催化剂的OER反应。其中，Ru1代表Ru-O-Co位点，Ru2则代表Ru-O-Y位点。
结果表明，Ru1通过AEM和LOM总是比Ru2更活跃，而Ru原子(Ru1和Ru2)显示出比Y原子更好的活性；Ru1始终是AEM和LOM上OER的活性位点，而LOM上Co位点对OER更为活跃。因此，YCR的优异OER性能可能是有效的Co原子掺杂到Y位点：Co的掺杂将从根本上减少带隙、产生氧空位、导致Co和Ru之间的相互作用、产生电荷转移过程以及降低理论氧析出反应电位。
Achieving Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution in Acidic Media on Yttrium Ruthenate Pyrochlore through Cobalt Incorporation. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202208399
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