原位生长的Ru/(Fe,Ni)(OH)2高效催化电解水制氢

第一作者（或者共同第一作者）：肖欣

通讯作者（或者共同通讯作者）：申燕教授、任志锋教授

通讯单位：华中科技大学、休斯顿大学

论文DOI：10.1002/smtd.201900796

研究背景：

全球化石燃料的急剧减少以及环境污染的日益加剧使追求可再生的清洁能源迫在眉睫，其中电解水制氢被认为是制备高纯度氢气的有效方法，但催化剂的成本以及其在大电流密度下的活性和稳定性一直是限制电解水制氢大规模推广的主要因素。Ru表现出与Pt相似的金属-氢成键能，但其价格仅为铂的三分之一，这使Ru有望替代Pt作为一种高效的析氢反应催化剂，但Ru在碱性介质中较弱的解离水的能力仍然是限制其本征活性的主要原因。过渡金属氢氧化物能有效的促进H-OH的断裂，而其将表面生成的H_ad物种转换成分子氢气的能力远不如金属Ru。本报道将金属Ru与过渡金属氢氧化物有效的结合，其中过渡金属氢氧化物解离水以提供金属Ru大量的H_ad物种，两者的协同作用极大地促进了氢气分子在催化剂表面形成。

本文亮点：

●金属Ru原位生长在自支撑结构的(Fe,Ni)(OH)₂/NF载体上；

● (Fe,Ni)(OH)₂和Ru的协同作用加速产氢；

●实现了大电流密度下超低过电位电解水制氢。

内容简介：

工业大规模电解水制氢亟需发展廉价、高催化活性以及稳定的催化剂。最近，来自中国华中科技大学申燕教授联合和美国休斯顿大学任志锋教授的研究团队报道了一种大电流密度电化学产氢的Ru/(Fe,Ni)(OH)₂/NF催化剂，该催化剂采用室温浸泡还原的方法合成，具有超亲水表面和高导电性的特点，在1 M KOH介质中，该催化剂仅需152 mV的过电位就能实现1 A cm^-2的大电流密度。相关研究成果以“InSitu Growth of Ru Nanoparticles on (Fe,Ni)(OH)₂to Boost Hydrogen Evolution Activity atHigh CurrentDensityin Alkaline Media”为题发表在Small Methods（DOI:10.1002/smtd.201900796）上。

通过室温浸泡还原的方法在自支撑的(Fe,Ni)(OH)₂/NF基底上构建Ru基催化剂[Ru/(Fe,Ni)(OH)₂/NF]（图1），Ru和(Fe,Ni)(OH)₂两组分之间存在强相互作用。

图1. Ru/(Fe,Ni)(OH)₂/NF催化剂制备过程示意图

该催化剂在碱性电解液中表现出优异的析氢性能，包括超低过电位（电流密度为1 Acm^-2时过电位仅为142 mV）、较低的塔菲斜率（30 mV dec^-1）以及较强的稳定性（图2）。采用Ru/(Fe,Ni)(OH)₂/NF和NiFe-LDH/NF分别作为阴极和阳极，在碱性条件下全电解水过程中电流密度高达1 A cm^-2时所需的槽电压仅为1.75 V。电解20 h后仍能保持优异的水裂解性能。当电解液温度上升至70 ℃时（工业电解水温度），电解水所需电压进一步得到降低。

图2.催化剂电化学性能测试结果

密度泛函理论计算（图3）研究进一步阐述了Ru/(Fe,Ni)(OH)₂的电催化机制：水分子在(Fe,Ni)(OH)₂上活化然后提供给Ru大量的H_ad物种, 从而加速Ru/(Fe,Ni)(OH)₂在碱性介质中的整个析氢反应过程。

图3. DFT理论计算图

总结与展望：

该研究成果提供了一种催化剂合成策略，即利用基底泡沫镍将Ru³⁺离子还原为金属Ru并直接其负载在高比表面积的(Fe,Ni)(OH)₂/NF载体上。这种方法合成的催化剂既有利于传质，又能最大限度的暴露活性位点，因此，为大电流密度下低成本电解水制氢提供了新的思路。