探索高效、穩定、低成本的析氫催化劑是電化學劈裂水的實際應用的關鍵。Ru基催化劑在HER中具有巨大的應用潛力，但由于現階段性能和耐久性不足，阻礙了其廣泛應用。此外，了解和揭示釕基催化劑的活性增強機理仍然是非常具有吸引力和挑戰性的。在此，我們利用氧化石墨烯(GO)的富氧官能團吸附Ru物種，并通過退火原位生成還原氧化石墨烯負載的Ru納米顆粒(NPs)催化劑(Ru/rGO-700)。Ru/rGO-700在堿性電解質10 mA cm
−2的過電壓低26 mV。同時，載體和錨定的Ru NPs之間的Ru- o鍵引起的強相互作用使催化劑具有理想的穩定性，因此在5萬次耐久性測試循環后，催化劑的活性幾乎沒有衰減。密度泛函理論(DFT)計算表明，陰離子氧的引入導致Ru NPs的缺電子特性，削弱了Ru-H的親和能力，加速或促進了Ru-H的解離和解氫。此外，集成晶體軌道哈密頓布居(ICOHP)證實了電子空穴的引入削弱了Ru原子間的反鍵相互作用，從而大大提高了催化劑的穩定性
圖1 (a)催化劑合成示意圖。(b) Ru/rGO-700的透射電鏡圖像，(c, c1, c2) Ru/rGO-700的高分辨率透射電鏡圖像，(c1)為(c)的局部放大，標記了晶格間距，(c2)為對應的快速前沿變換(FFT)圖像。(d) Ru/rGO-700的EDS結果。(e)元素映射結果。(f)不同退火溫度下Ru/rGO的X射線衍射(XRD)譜圖。(g) Ru/rGO-700和rGO的拉曼光譜。
圖2 Ru/rGO-700的(a) Ru 3p和(b) O 1s的高分辨率XPS光譜;(c) Ru k邊XANES光譜。(d)對EXAFS譜的k3加權χ(k)函數進行傅里葉變換;(e)對Ru箔、Ru/rGO-700和RuO2樣品的k3加權EXAFS信號進行小波變換。
圖3 Ru/rGO-700、Pt/C和Ru/C在1.0M KOH溶液中的HER性能。(a)極化曲線。(b)塔費爾斜坡。(c, d) C
dl和EIS。(e) 50,000個電位循環前后催化劑的極化曲線，(f) 10 mA cm
-2下過電位增長的比較。
圖4 (a) Ru塊體的COHP圖。 (b) Ru塊體的ICOHP值。(c) Ru
57/GO的原子結構。(d) Ru
57/GO的電荷密度差。 (e) Ru
57/GO的最佳氫吸附構型及其對應的ΔGH*。(f)計算出Ru(002)、Ru
57和Ru
57/GO的ΔGH*。(g) Ru
57/GO上Volmer-Tafel路線的能量圖。
相關科研成果由海南大學Xinlong Tian, Peilin Deng和Jing Li等于2021年發表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134421)上。原文：Bridge the activity and durability of Ruthenium for hydrogen evolution reaction with the Ru-O-C link。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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