陕科大黄剑锋/冯永强和西安工大何朝政 CEJ：新型氯氮共配位钌单原子电催化剂高效稳定驱动全解水和锌-空气电池装置
陕科大黄剑锋/冯永强和西安工大何朝政 CEJ：新型氯氮共配位钌单原子电催化剂高效稳定驱动全解水和锌-空气电池装置
Chem-MSE
聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。
点击蓝字关注我们
开发清洁和可持续的能源转换和存储技术（ ECST ），包括水电解、金属空气电池、燃料电池等，因其环保和高效而受到广泛关注。 然而，由于此类基于 ECST 的装置的反应动力学缓慢，因此需要与析氢反应（ HER ）、析氧反应（ OER ）和氧还原反应（ ORR ）相关的电催化剂。 HER 和 OER 是水分解中将电能转化为氢和氧的两个主要半反应，而 OER 和 ORR 则作用于金属 - 空气电池的阴极，将化学能转换为电能。 然而，目前最先进的电催化剂如商业 Pt/C 、 RuO2 和 IrO2 无法在水分解或金属空气电池中同时驱动两个电化学过程，更不用说它们的电催化耐久性不足了。 因此，设计和构建具有双功能甚至多功能电催化性能的可行替代材料以促进 ECST 相关器件的集成是关键且必不可少的。
陕西科技大学黄剑锋 / 冯永强团队和西安工业大学何朝政团队在《 Chemical Engineering Journal 》上发表了题为“ Atomic ruthenium coordinated with chlorine and nitrogen as efficient and multifunctional electrocatalyst for overall water splitting and rechargeable zinc-air battery ”的文章（ D OI:10.1016/j.cej.2022.136078 ）。为实现金属 - 空气电池和全解水制氢一体化功能，该课题组设计合成了一种新型高效的氯氮共配位的钌单原子三功能电催化剂（ Ru-Cl-N SAC ）。该工作主要亮点主要体现在以下三个方面：一、 本工作通过将氯化钌分子锚定在钴基沸石咪唑酯骨架（ ZIF-67 ）的空腔中，然后进行热解和对钴颗粒和不稳定的钌物种酸蚀刻合成了一种新型高效的与 Cl 和 N 配位的钌单原子（ Ru-Cl-N SAC ）作为 HER 、 OER 和 ORR 的多功能电催化剂。 X 射线同步辐射吸附光谱结合密度泛函理论（ DFT ）计算结果揭示了 RuCl 2 N 2 的优化配位构型。二、 Ru-Cl-N SAC 表现出高效的电催化性能， HER 的 1 0 mA cm -2 过电位仅为 12 mV ， OER 仅需 233 mV 的过电位便可提供 10 mA cm -2 的电流密度， O RR 的半波电位（ vs. RHE ）高达 0.90 V ，基于此组装的整体水分解电池只需要 1.49 V 的低电位即可达到 10 mA cm -2 ，搭建的可充电锌空气电池比容量高达 804.26 mAh g -1 同时具有不低于 360 小时循环充放电的稳定性。三、本文结合结构表征、性能测试以及理论计算结果证实， Cl 的引入调节了单原子 Ru 的电子环境，降低了 H 在单原子 Ru 位点最稳定的吸附能和含氧中间体的吸附自由能，大大降低了 HER 、 OER 的过电位和 ORR ，从而实现了高效的三功能一体化电催化性能。该工作为在能量转换和存储领域设计和制造新型高效多功能电催化剂提供了新的策略。
示意图 1 Ru-Cl-N SAC 合成过程示意图。 (i) 160 ° C 甲醇溶剂热处理 6 h ， (ii) 700 ° C Ar 气氛下热解 2 h ，然后酸洗去除 Co 纳米粒子和不稳定 Ru 物种。
图 1 Ru-Cl-N SAC 的形貌和结构表征。（ a ） Ru-Cl-N SAC 的 SEM 和 （ b ） TEM 图像。（ c ）为（ b ）中标记区域的 SAED 模式。（ d ） XRD 图，（ e ）拉曼光谱，（ f ） Ru-Cl-N SAC 的比表面积，（ f ）的插图显示了 Ru-Cl-N SAC 的孔体积分布。（ g ） Ru-Cl-N SAC 的 AC-HAADF-STEM 图像，黄色箭头标记为单个 Ru 原子。（ h ） Ru-Cl-N SAC 的 Ru （绿色）、 Cl （橙色）、 C （红色）和 N （青色）的元素映射。
图 2 通过 XAFS 和 XPS 对 Ru-Cl-N SAC 的原子结构进行分析。（ a ）归一化的 Ru K 边 XANES 光谱。（ a ）的插图显示了从 22108 到 22120 eV 的 K 边 XANES 光谱的放大图。（ b ） Ru-Cl-N SAC （红色）、 Ru 箔（紫色）、 RuCl 3 （绿色）和 RuO 2 （蓝色）的 Ru K-edge EXAFS 的傅里叶变换。（ c ） Ru 箔、 RuO 2 、 RuCl 3 和 Ru-Cl-N SAC 的 EXAFS 的小波变换光谱。（ d-f ） Ru-Cl-N SAC 中 Ru 3p (d) 、 Cl 2p (e) 和 N 1s (f) 的高分辨率 XPS 光谱。
图 3 Ru-Cl-N SAC 的电化学性能测试。（ a ） LSV 曲线，（ b ） Tafel 斜率，（ c ） Ru-Cl-N SAC （红色）、 RuN 4 SAC （青色）、 NC （蓝色）和 Pt/C （紫色）的奈奎斯特图。（ d ） Ru-Cl-N SAC 与其他最近报道的碱性条件下 HER 催化剂的 TOF 值的比较。（ e ） Ru-Cl-N SAC 的 HER （底部曲线）和 OER （顶部曲线）的计时电流 - 时间曲线。（ f ） OER 过程的 LSV 曲线和（ g ） Ru-Cl-N SAC （红色）、 RuN 4 SAC （青色）、 NC （蓝色）和 Pt/C （紫色）的 ORR 过程。（ h ） Ru-Cl-N SAC （红色）和 Pt/C （紫色）的计时电流研究，（ h ）插图显示了 Ru-Cl-N SAC （红色）和 Pt/C （紫色）的甲醇耐久性测试。（ i ） Ru-Cl-N SAC 的 HER ( η 10, HER ) 、 OER ( η 10, O ER ) 和 ORR (E 1/2 , ORR) 的半波电位与其他最近报道的三功能电催化剂的比较图。
图 4 Ru-Cl-N SAC 的电子结构和反应机理的理论分析。（ a,b ） Ru-Cl-N SAC （ a ）和 RuN 4 SAC （ b ）优化结构的俯视图和侧视图。（ c ）通过 Hirshfeld 方法获得的 Ru-Cl-N SAC 的电荷分配。颜色对应： C 灰色， N 蓝色， Ru 青色， Cl 绿色。（ d ） Ru-Cl-N SAC （上图）和 RuN 4 SAC （下图）的 Ru 3d （橙色）、 Cl 2p （绿色）和 N 2p （蓝色）的 PDOS 图。（ e ） Ru-Cl-N SAC （橙色）和 RuN 4 SAC （蓝色）在 HER 过程中的自由能图。（ f ） Ru-Cl-N SAC （橙色）和 RuN 4 SAC （蓝色）在 OER 和 ORR 过程中的自由能图。
图 5 Ru-Cl-N SAC 的全解水和锌空气电池性能。（ a ）全解水电解池的示意图。（ b ）由 Ru-Cl-N SAC （红色）和 Pt/C-IrO 2 （黑色）制造的整个水分解电解池的极化曲线。（ b ）的插图显示了（ b ）中两个电池的 Ru-Cl-N SAC （红色）和 Pt/C-IrO 2 （黑色）的相应计时电流 - 时间曲线。（ c ）自制锌 - 空气电池的结构示意图。（ d ） Ru-Cl-N SAC 基（红色）和 Pt/C-IrO 2 基（黑色）锌空气电池的放电极化曲线和相应的功率密度图。（ e ） Ru-Cl-N SAC 基（红色）和 Pt/C-IrO 2 基（黑色）锌空气电池的比容量曲线。（ f ）由单个 Ru-Cl-N SAC 基锌空气电池驱动的 LED 显示器的光学图像。（ g ） Ru-Cl-N SAC 基（红色）和 Pt/C-IrO 2 基（黑色）锌空气电池的充放电循环性能，（ g ）的插图显示了基于 Ru-Cl-N SAC 的锌空气电池的第一次和最后十次充放电曲线。（ h ）由两个串联的 Ru-Cl-N SAC 基锌空气电池驱动基于 Ru-Cl-N SAC 的整体水分解电解池的光学图像。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136078
相关进展
丹麦技术大学张文静教授与西工大蒋建军教授《Small》：具有双功能氧电催化剂的Janus中空纳米纤维用于可充电锌空气电池
清华化工系张如范课题组《Nano Lett.》：在锌-空气电池多功能正极材料方面取得重要进展
清华大学张如范课题组《Nano Lett.》: 柔性碳膜负载Co单原子催化剂作为双功能氧催化剂用于无粘结剂锌-空气电池
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
扫二维码｜关注我们
微信号 : Chem-MSE
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。