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四川大学,2025年首篇Science!

研之成理  · 公众号  · 科研  · 2025-01-03 11:55

正文

请到「今天看啥」查看全文


第一作者: Jiahao Zhang Xianbiao Fu Soonho Kwon
通讯作者:William A. Goddard III,Yijin Kang

通讯单位:美国加州理工学院,四川大学

DOI:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938




Science编辑Phil Szuromi评语
在水分解的氧析出反应(OER)过程中,添加钽到氧化钌中可以减缓其溶解,并使其有可能替代氧化铱。Zhang等人展示了溶解对表面结构很敏感,且添加钽可以减缓腐蚀并提高活性。在每平方厘米1安培的电流密度下运行2800小时后,催化剂Ta 0.1 Ru 0.9 O 2–x 表现出几乎恒定的电压,衰减率低于每小时约14微伏。




研究背景

工业上用于氧析出反应的氧化铱(IrO 2 )催化剂既稀有又昂贵。尽管氧化钌(RuO 2 )是一种有前景的替代品,但其较差的稳定性阻碍了实际应用。




研究问题

本文使用明确 的(well-defined) 扩展表面模型发现,RuO 2 会经历结构依赖性的腐蚀,导致钌溶解。掺入钽(Ta)有效地稳定了RuO 2 ,防止了这种腐蚀,并提高了RuO 2 的本征活性。在工业案例中,Ta-RuO 2 电催化剂表现出接近IrO 2 的稳定性,并在2800小时的测试中性能衰减率为每小时约14微伏。在每平方厘米1安培的电流密度下,其过电位比IrO 2 低330毫伏。




图文解析

图1| RuO 2 的明确定义扩展表面研究

要点:

1.RuO 2 薄膜通过脉冲激光沉积(PLD)方法制备。本文实验中使用的薄膜在X射线反射(XRR)和原子力显微镜(AFM)下显示出相似的厚度和均方根(RMS)粗糙度。在进行氧析出反应(OER)实验之前,探究了阴极赝电容电荷q * cathodic ,以确定可用的电化学活性位点数量。由于不同取向的RuO 2 扩展表面具有不同的表面原子排列(图1A插图),预计各种表面的配位不饱和位点(CUS)Ru的数量会有所不同。本文计算得出CUS的数量为(001)方向每10 nm 2 有10个,(100)方向每7 nm 2 有7个,(110)方向每5 nm 2 有5个,以及(111)方向每7 nm 2 有7个。如图1B所示,测量的阴极电荷密度与CUS Ru数量之间呈现出良好的线性关系,皮尔逊相关系数为0.91,这表明暴露在表面的Ru原子可用于电化学反应。

2.本文使用了X射线衍射(XRD)技术来表征经过10个循环伏安法(CV)后的薄膜,以了解电极性能的变化(图1D)。在所有取向的薄膜上出现了两个新的XRD峰,分别位于21.2°和23.6°。本文计算了每种取向在XRD图案中新RuO 4 相的比例,以确定RuO 2 薄膜在氧析出反应(OER)期间的演变程度。如图1E所示,不同晶体取向的RuO 2 在活化过程后的电流密度与相比例和q * cathodic (即电化学表面积)密切相关。q * cathodic 值对晶体取向的趋势与OER激活前薄膜的趋势完全不同(比较图1C和图1E),这表明表面积的变化是结构依赖的。


图2|Ta改性RuO 2 表面的研究

要点:

1.本文通过磁控溅射技术在RuO 2 薄膜上添加了钽(Ta)。如图2A所示,向明确定义的RuO 2 表面添加钽原子并没有改变其晶体取向(图2A)。通过原子力显微镜观察到,掺钽膜的表面粗糙度略有增加。图2B中的TaRuO 2 (110)薄膜横截面HAADF-STEM图像展示了薄膜与MgO(001)衬底之间清晰的界面,并且经过钽溅射后,(110)晶面仍然保持良好且有序,这证实了钽溅射并未破坏薄膜的取向。

2.图2B中的HAADF-STEM图像显示,钽溅射后的TaRuO 2 (110)薄膜表面晶格有序且接近原子级平坦。用红圈标记的原子与下层钌(Ru)原子之间的距离为3.39至约3.40 Å,这比相邻原子和下层原子的距离(3.21 Å)要大,这可能是由于钽原子占据所致。图2B中橙色框标记的表面原子层的电子能量损失谱(EELS)(图2C)在1780至约1795 eV处显示出明显信号,对应于钽-M 4 边缘,而在RuO 2 (110)中未观察到EELS钽信号。以上证据表明,钽原子在溅射后成功掺杂到表面RuO 2 晶格中,而表面的取向和平整度几乎没有变化。这些掺钽膜的X射线光电子能谱显示,钽4f的结合能约为26.3 eV,揭示出钽在RuO 2 膜上的+5价态。


图3| RuO 2 和Ta掺杂RuO 2 上的OER反应机制

要点:

1.图3A展示了RuO 2 (100)上氧析出反应(OER)的反应机制。一个表面水分子与μ 1 -O反应,形成新的O–O键,生成μ 1 -OOH(状态2),同时将其H转移到相邻的μ 2 -O上,形成μ 2 -OH。此反应的自由能变化(ΔG)为0.40电子伏特,自由能垒(ΔG‡)在相对于可逆氢电极1.6V时为0.77电子伏特(见图3B)。形成μ 1 -OOH后,随后的放热去质子化和O 2 /H 2 O交换步骤使表面回到状态1。在Ta-RuO 2 (100)上,质子在O–O键形成期间被转移到μ Ta 1 -OH而不是μ 2 -O,导致在Ru上形成μ Ta 1 -H 2 O和μ 1 -OOH(图3A底部)。与RuO 2 (100)相比,这个反应在相对于RHE 1.6V时的ΔG‡低了0.07电子伏特,为0.70电子伏特(见图3B)。

2.在RuO 2 (110)表面上,尽管μ 2 -O是更强的质子受体,但将质子转移到μ 1 -O的水解离步骤的动力学能垒较低,为0.78电子伏特,比相对于可逆氢电极1.6V时低0.09电子伏特。Ta在CUS位点的掺杂使得水解离过程更为有利,ΔG‡为0.57电子伏特,ΔG为0.30电子伏特,相对于RHE 1.6V(见图3C)。


图4| 工业测试中的纳米级Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 电催化剂

要点:

1.通过X射线衍射(XRD)确认(图S33A),掺杂RuO 2 的钽并未改变RuO 2 的金红石结构,至少在达到20原子百分比的钽时是如此。透射电子显微镜(TEM)图像显示,Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 展现出多孔且粗糙的表面形态,这提供了高表面积,从而增加了更多的氧析出反应(OER)活性位点。图4A展示了Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x (001)平面的高分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像,其中晶面间距为3.30 Å(对应于(110)晶面)和2.32 Å(对应于(200)晶面),这与XRD数据一致。能量色散X射线谱(EDS)元素映射表明,在Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 中,钌(Ru)、钽(Ta)和氧(O)均匀分布(图4B)。

2.图4C显示了在0.5 M H2SO 4 电解质中旋转圆盘电极上进行的OER评估结果。从OER极化曲线来看,Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 在10 mA cm 2 的电流密度下表现出较低的过电位,为226 mV,其OER活性表现优于Ta0.2Ru0.8O 2 x 、合成的RuO 2 x 和商业可得的RuO 2 粉末。本文发现:代表性的Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 再次优于其他样品,表现出低塔菲尔斜率47.1 mV dec 1 ,远低于商业RuO 2 。本文基于不同过电位下的TOFs评估了Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 的本征活性。本文发现,在280 mV的过电位下,Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 的TOF达到了0.086 s 1 ,这是基准样品中最高的,比商业RuO 2 (0.004 s 1 )高出20倍。与其他样品相比,Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 呈现出较小的R ct ,这意味着Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 在OER过程中表现出更快的电荷转移。这些结果使Ta 0.1 Ru 0.9 O 2 x 成为我们控制实验中的最佳催化剂之一。




总结展望

在OER过程中,本文观察到RuO 2 电催化剂的结构依赖性腐蚀。这种腐蚀直接导致RuO 2 电催化剂稳定性差(即Ru的溶解)。钽掺杂抑制了Ru的溶解,同时提高了RuO 2 电催化剂对OER的本征活性。工业示范清楚地表明,成功解决了RuO 2 电催化剂的稳定性问题,并且基于钌的催化剂比基于铱的催化剂具有更理想的OER活性,从而为质子交换膜电解水制氢(PEM-WE)中的电催化剂提供了一种极具吸引力的选择。




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