柳清菊教授、孙华传博士， CEJ观点：Ru单原子掺杂Ni(OH)2与FeOOH耦合实现工业级电流密度下全电解水
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文 章 信 息
Ru单原子掺杂Ni(OH) 2 与FeOOH耦合实现工业级电流密度下全电解水
第一作者：王博学
通讯作者：孙华传*, 柳清菊*
单位：云南大学
研 究 背 景
随着煤、石油和天然气等传统化石资源不断开采和利用。一方面，不可再生的自然资源终会枯竭；另一方面，全球气候变暖和环境污染等问题严重威胁着人类的生存和发展。氢气是最有潜力的未来绿色能源，利用间歇性能源(如风能、太阳能)获得的电能来驱动电化学水分解获得氢气是一种可行的途径。pt基材料被认为是最先进的HER电催化剂，而Ru/Ir基材料是更有利于OER的电催化剂。然而，贵金属材料由于其价格昂贵、稀缺、稳定性差等问题限制了其在电催化析氢产业化上的大规模应用。此外，电催化分解水的理论电压是1.23 V，低于实际所需的电压。因此，探索经济效益高并且性能优异的电催化剂具有十分重要意义。
文 章 简 介
近日， 云南大学的柳清菊教授课题组 在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 “Ru single-atom regulated Ni(OH) 2 nanowires coupled with FeOOH to achieve highly efficient overall water splitting at industrial current density” 的研究性论文。该研究通过实验和理论模拟证明，Ru单原子掺杂的Ni(OH) 2 与FeOOH团簇之间的界面协同作用提高了电荷转移能力，优化了反应中间体在碱性HER过程中的吸附自由能，其不仅加速了水的解离，还优化了H吸附，从而获得了优异的电催化析氢（HER）和电催化析氧（OER）性能。在HER和OER过程中，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH（RNF）分别仅需要267和386 mV的过电位就能实现1000 mA cm -2 级电流密度，明显优于商用Pt/C和RuO 2 电催化剂。此外，将RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂分别作为阳极和阴极电极组装成双电极全电解水系统，只需要1.88 V的电压就可以达到1000 mA cm -2 ，并且具有良好的稳定性。本研究为工业级电流密度下制备性能优异的双功能电催化剂提供了参考。
图1. 泡沫镍负载RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂的合成路线图。
本 文 要 点
要点一：在本文中，作者通过简单的水热合成法和随后的浸泡法，首先将Ru单原子掺杂于Ni(OH) 2 晶格中,然后与FeOOH纳米团簇耦合，从而制备出镍基复合纳米结构催化剂，即RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH，该催化剂表现出优异的HER、OER和全电解水催化性能。
图2. RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂的形貌。
要点二： 由于Ru单原子的掺杂和异质结构的形成，使得RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH内部产生了强烈的电子相互作用和大量缺点，这优化了电催化反应过程中电催化剂对反应中间体的吸脱附能力。另外，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH具有超亲水性和超疏气特性，这有效促进了传质过程和生成气泡的快速脱附，有效促进了其电催化性能。
图3. RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂的电子特性及表观超亲水和超疏气特性。
要点三： 将RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂在1M KOH溶液中进行电催化性能测试。对于HER，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH仅需要 105、209和267 mV的过电位就能够达到100、500和1000 mA cm -2 。对于OER，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH仅需要 279、338和386 mV的过电位就能够达到100、500和1000 mA cm -2 。对于全电解水，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH (+) || RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH (-)仅需要 1.61、1.77、1.88和1.99 V的电位就能够达到100、500、1000和1500 mA cm -2 。除此之外，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH在HER、OER和全电解水过程当中，能够在500 mA cm -2 级电流密度下稳定工作超过100 h，具有一定的实用性。
图4. RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂在1M KOH溶液中的HER性能。
图5. RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH电催化剂在1M KOH溶液中的OER性能。
图6. RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH(+)||RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH(-)电催化剂在1M KOH溶液中的全电解水性能。
要点四： 理论计算表明，Ru单原子的掺杂和异质结构的构建调整了RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH的电子结构，这优化了其对电催化过程中反应中间体的吸脱附。由于FeOOH团簇与RuSAs/Ni(OH) 2 之间的协同作用，RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH能够不但能促进Volmer反应(* + H 2 O + e-→H* + OH - )，还能同时优化H吸附和解吸过程，从而大幅提高其HER催化性能。
图7. 理论计算及机理分析。
要点五：总结
本研究采用简单的两步法成功制备了单原子Ru掺杂Ni(OH) 2 与FeOOH团簇耦合的双功能型RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH异质结构电催化剂。该复合纳米电催化剂具有较快的反应动力学和优异的催化性能。结合理论计算试验分析，发现RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH优异的电催化性能可归因于以下因素: (1) RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH催化剂具有超亲水性和超疏气特性，这使得它不仅与碱性电解质有良好的接触，而且可以使电催化过程中产生的H 2 和O 2 气泡从催化剂表面快速地解吸。(2) Ru单原子掺杂和FeOOH团簇的耦合使RuSAs/Ni(OH) 2 @FeOOH活性面积增大，同时暴露出更多的催化活性位点。(3) 试验表征和DFT计算结果表明，FeOOH和RuSAs/Ni(OH) 2 异质界面处具有强烈的电子相互作用，其其不仅加速了水的解离，还优化了H吸附自由能，最终有效地促进了HER和OER过程。这项工作为工业电流密度下制备双功能电催化剂提供了一条简便的途径。
文 章 链 接
Ru single-atom regulated Ni(OH) 2 nanowires coupled with FeOOH to achieve highly efficient overall water splitting at industrial current density
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147500
通 讯 作 者 简 介
柳清菊 教授简介：云南大学二级教授，博导，教育部新世纪优秀人才计划入选者，云岭学者，云南省中青年学术与技术带头人，云南省微纳材料与技术重点实验室主任，主要从事新能源材料与技术、气敏传感材料与器件、光催化材料及电催化材料与技术等方向的研发工作；主持承担了包括国家863计划项目、国家自然科学基金项目等在内的20余项科研项目的研究，在Nature Reviews Materials, Nature Communications，ACS Energy Letters, ACS Catalysis, Small，Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A发表学术论文240余篇。
孙华传 博士简介：云南大学讲师，硕士生导师。2022年博士毕业于华中科技大学，研究方向为高活性电催化剂设计合成及其在大电流密度电解水中的应用，目前以第一作者和共同作者的身份在J. Am. Chem. Soc.、ACS nano、ACS Energy Lett、Appl. Cata. B-Environ、Small、Research、Chem. Eng. J. ACS Appl. Mater. Inter.、J. Power Sources等期刊发表SCI论文20余篇，其中5篇入选ESI 1%高被引论文。
Email：huachuansun@ynu.edu.cn
第 一 作 者 简 介
王博学 ：现为云南大学材料与能源学院2021级硕士研究生，主要研究方向为大电流密度下电催化剂的制备及其应用。
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