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中科院宁波所AM: 高度稳定的超小型纳米晶组成的Cu掺杂RuO2中空

归档日期:04-13       文本归类:多面体模型      文章编辑:爱尚语录

  在过去的几十年中,氢作为最有前途的可再生能源载体之一已被深入研究。水是地球上的最丰富资源之一,通过电化学水分解将其转化为低成本纯氢气与可再生电力相结合。目前,碱性水分解认为是工业H2生产的一种良好的、可工业化的技术。事实上,酸性介质中HER的反应速率比碱性介质中的反应速率高出2至3个数量级,但遗憾的是,OER在酸性溶液中受到高活性和稳定的电催化剂稀缺性的阻碍。为了解决酸性水分解的瓶颈,科研人员努力发展优良适合酸性介质的电催化剂。最近,基于铱的材料被报道具有强大的活性和优异的耐酸性OER电催化剂。相反,Ru作为最便宜的铂族金属似乎是理想的替代品。特别是金红石结构的RuO2可适度结合氧中间体和独特的电子性质,在酸性条件下表现出很高的潜力,可满足酸性条件下的技术要求。然而,酸性溶液中RuO2基电催化剂报道的OER活性和耐久性仍远低于碱性溶液,不能满足取代碱性电解池的要求。因此,精心设计RuO2基催化剂以进一步改善酸性OER活性是非常需要的。

  近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈亮研究员课题组在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Assembling Ultrasmall Copper‐Doped Ruthenium Oxide Nanocrystals into Hollow Porous Polyhedra: Highly Robust Electrocatalysts for Oxygen Evolution in Acidic Media”的论文。研究人员结合掺杂适当的外来元素和暴露丰富的高活性面的策略,进一步提高在酸性介质中RuO2纳米结构的OER性能。通过Ru-交换Cu-BTC(HKUST-1)衍生物的一步退火合成了超小型纳米晶组成的Cu掺杂RuO2中空多孔多面体。实验结果表明:由于优化的表面结构和改变的电子结构,制备的催化剂在酸性电解质中显示出显著的OER性能,在10 mAcm-2时低过电位188 mV,超低塔菲尔斜率为43.96 mV dec-1,在10000次循环的耐久性测试中具有出色的稳定性,并且在10 mA cm-2的电流密度下连续测试8 h,RuO2催化剂表现出前所未有的电催化活性以及在酸性条件下对OER的优异稳定性,其优于迄今报道的大多数活性OER电催化剂。DFT计算表明:高指数晶面上高度不饱和的Ru位点可以逐渐被氧化,从而降低速率决定步骤的能垒。 另一方面,Cu掺杂剂可以改变电子结构以进一步改善内在的OER活性。

  d)Cu-掺杂的RuO2的扩大模型,作为电催化剂对酸性介质中的析氧反应。

  a)相同的质量负载下,在不同温度下合成的样品的OER极化曲线V(vs RHE)下的电容性电流与扫描速率以及通过绘制线性拟合估计的相应CdI值相比较;

  d)在第1000次和第10000次循环后,用相同的质量负荷和耐久性试验测定S-300和商业RuO2的OER极化曲线的Tafel图;

  f)计时电位滴定法测量的S-300和商业RuO2达到10 mA cm-2所需的电位。

  研究人员通过表面排列和电子结构的精心设计成功地合成了一种由超小型纳米晶组成的新型Cu掺杂RuO2催化剂。该催化剂在酸性溶液中对OER具有显着的催化活性和稳定性,优于大多数记载的电催化剂。DFT计算表明,高指数表面含有高度协调的Ru(CN=3)位点,可以有效地降低OER过电位。 同时,Cu掺杂剂可以调节电子结构以增强OER活性,并诱导在其表面形成不饱和Ru位点。

  相关工作是由中科院宁波材料所陈亮研究员领导的团队完成,团队的主要研究方向为气体分离储存及催化转化材料的设计和开发,结合先进实验手段与多尺度理论模拟,研究多孔材料储氢和捕集二氧化碳的基本机理,以及过渡金属、氧化物等表面上的催化反应。

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