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浙大侯阳AFM：构建Ru-H桥连过渡态加速AEMWE析氢反应基元步骤动力学

时间：2023-02-03 来源： 浏览：

浙大侯阳AFM：构建Ru-H桥连过渡态加速AEMWE析氢反应基元步骤动力学

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可再生能源发电耦合电解水制氢被认为是未来发展环境友好型绿氢制备工艺的主要技术路线。然而，缓慢的吸附反应动力学限制了阴离子交换膜电解槽(AEMWE)的可实现最大电流密度，进而影响了其大规模工业化应用的前景。
对于阴极析氢反应(HER)，贵金属铂(Pt)基材料被认为是目前最有效的电催化剂，但同时面临着成本高昂和资源稀缺等不可避免的问题。
作为被广泛认可的贵金属Pt基催化剂替代品，钌(Ru)基催化剂展现出了优异的电催化析氢活性和稳定性。目前，进一步降低贵金属负载量，同步提高贵金属原子利用率是发展Ru基电催化析氢材料的重点研究方向之一。
近日， 浙江大学侯阳研究员和美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授 通过电化学沉积法，设计并合成了一种全新的原子层状Ru团簇(NC)和Ru单原子(SA)共同负载在非晶（氧）氢氧化镍/磷化镍基底(NS-Ru@NiHO/Ni 5 P 4 )材料。
该NS-Ru@NiHO/Ni 5 P 4 催化剂可通过Ru-H桥连过渡态促进HER基元步骤的动力学过程，从而实现AEMWE的高效电解水制氢。
该NS-Ru@NiHO/Ni 5 P 4 催化剂展现出优越的电催化HER性能，在1.0 M KOH电解液中，达到10 mA  cm -2 电流密度下的过电势仅为16 mV；当进一步将NS-Ru@NiHO/Ni 5 P 4 阴极与商业IrO 2 阳极催化剂耦合并组装成AEMWE时，该AEMWE装置在仅1.70 Vcell的电压下便实现了1.0 A cm-2电流密度的电解水析氢。
原位光谱和电化学分析结果证实，NS-Ru@NiHO/Ni 5 P 4 催化剂中的Ru SA和原子层状Ru NC分别在促进水解离和减弱*H吸附方面起着关键作用。
理论计算进一步阐明了HER反应机理：水分子在单原子Ru位点（Ru SA）上发生水解离产生质子，该质子随后通过过渡态桥连与相邻团簇Ru NC（Ru(SA)-O-H-Ru(NC)）实现电荷定向转移，从而加速Volmer-Heyrovsky基元步骤反应动力学，提高了电催化HER活性。
该研究工作不仅对AEMWE中析氢反应指明了新的方向，还对探究金属团簇与单原子共存结构的协同效应具有一定的指导作用，相关工作已发表于Advanced Function Materials(doi.org/10.1002/adfm.202212321)上。论文的共同一作分别是浙江大学博士生王可欣和西湖大学博士生曹骏辉。
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