• 研究论文 •
曾齐升a,b, 卢千a, 黄碧柔a, 陈茁晗a, 吴炜星a, 王莹a,b*
Qisheng Zenga,b, Qian Lua, Birou Huanga, Zhuohan Chena, Weixing Wua, Ying Wanga,b*
摘要:
酸性析氧反应是质子交换膜电解水制氢过程中的动力学瓶颈,其催化剂的活性与稳定性直接决定电解槽性能。氧化钌因具有较高的本征活性和较低的成本,被认为是最具应用前景的酸性析氧催化剂之一。然而,其晶格氧参与反应易导致Ru过度氧化及活性组分溶解,难以兼顾高活性与高稳定性。阴离子调控能够有效调节氧化钌的电子结构和反应中间体吸附行为,但传统阴离子掺杂在析氧过程中易发生进一步氧化并溶出,导致调控作用逐渐失效。
本文提出了一种硒酸根表面修饰策略,通过水热处理结合煅烧法,将处于最高氧化态的硒酸根稳定锚定于氧化钌表面,构建了具有Se-O-Ru界面结构的SeO4-RuO2催化剂。机理研究表明,表面硒酸根作为吸电子基团,可提高Ru-O活性位的氧化态,抑制晶格氧的参与和Ru的过度氧化,从而提高催化剂稳定性。同时,硒酸根修饰促进了水分子解离和质子转移过程,优化了析氧反应动力学。得益于上述协同作用,优化后的SeO4-RuO2催化剂在0.5 mol⋅L-1硫酸中表现出优异的酸性析氧性能,仅需189 mV过电位即可达到10 mA⋅cm-2的电流密度,并可稳定运行超过200 h。在质子交换膜电解水器件中,该催化剂仅需1.594 V即可达到1 A⋅cm-2电流密度,并可在200 mA⋅cm-2电流密度下连续稳定运行150 h。
本研究提出了含氧阴根离子表面调控的新策略,在保持阴离子调控优势的同时避免了氧化诱导的结构失稳,为突破氧化钌酸性析氧催化活性-稳定性权衡困境提供了新的设计思路。