Nano Energy：Ru-Ni夹层纳米片电催化剂用于高效水解

【引言】

水解是一种最具前景的产氢和产氧方式。HER和OER两个反应均需要有效的催化剂来降低反应所需的过电位并且加速反应的进行。Pt对于HER来说仍旧是目前最具活性的金属，因为其具有0V的起始电位以及低的塔菲尔斜率。传统的OER催化剂是Ir和Ru。但是，贵金属用于水解在实际应用中仍有一些不足，比如储量低，价格昂贵等。因此，实现高效Pt（或Ru，Ir）基纳米催化剂用于水解是理想化的但同时也是具有挑战的。

几年来，纳米催化剂界面的发现吸引了研究人员更多的关注，因为其在调节催化剂活性和稳定性中具有重要的作用。将贵金属和非贵金属结合不仅能够降低贵金属的用量而且通过调节界面原子排布也能提升性能。就这一点而言，最大原子界面接触/或两种材料的相互作用在将电催化剂性能提升到极致方面变得非常重要。

【成果简介】

近日，来自苏州大学的黄小青教授等人在Nano Energy上发表文章，题为：Ruthenium-Nickel Sandwiched Nanoplates for Efficient Water Splitting Electrocatalysis。研究人员开发了一种未曾报道过的具有相分离的夹层形貌的Ru-Ni异质结电催化剂。Ru在Ni柱两端选择性生长，表明界面在Ru和Ni区域形成。作者发现Ru-Ni夹层纳米片（SNs）在碱性溶液中堆HER和OER均具有很低的塔菲尔斜率和过电位。在全解水过程中，最优化的Ru-Ni夹层纳米片具有1.45V的低的起始电位并且具有极佳的稳定性。

【图文导读】

图1. 结构分析

(a) TEM图(插图为理想模型)；

(b) HAADF-STEM图；

(c, d) (c)平行和(d)垂直于Ru₂Ni₂SNs<001>方向的HRTEM图；(c)和(d)中的插图分别是平行和垂直于<001>方向的理想模型；

(e) Ru₂Ni₂SNs的线扫；

(f-h) EDS元素分布图：(f) Ru₂Ni₂SNs；(g) Ru₂Ni₁SNs；(h) Ru₂Ni₃SNs)；

图2.HER性能测试

(a) Ru-Ni SNs/C, Pt/C，Ir/C在0.1M KOH溶液中的HER极化曲线；

(b)在10 mA cm^-2的过电位以及相应的塔菲尔斜率；

(c) Ru-Ni SNs/C, Pt/C，Ir/C在1M KOH溶液中的HER极化曲线；

(d)在10 mA cm^-2的过电位以及相应的塔菲尔斜率；

图3. OER性能测试

(a) Ru-Ni SNs/C, Pt/C, Ir/C在0.1M KOH溶液中的OER极化曲线；

(b)在10 mA cm^-2的过电位以及相应的塔菲尔斜率；

(c) Ru-Ni SNs/C, Pt/C, Ir/C在1M KOH溶液中的OER极化曲线；

(d) 在10 mA cm^-2的过电位以及相应的塔菲尔斜率；

图4. 性能表征

(a) Ru-Ni SNs/C，Pt/C的HER好OER的IR校正极化曲线(a) 0.1 M KOH；(b) 1 M KOH；

(c) Ru₂Ni₂SNs/C两电极体系全解水IR校正计划曲线；插图为Ru₂Ni₂SNs/C的HER和OER的IR校正极化曲线；

(d)在10 mA cm^-2下Ru₂Ni₂SNs/C，Ir/C，Pt/C稳定性；

图 5. 元素成分分析

Ru₂Ni₂SNs/C的XPS图：(a) Ru 3d； (b) Ni 2p；

XPS图的元素面积比：(c) Ru⁴⁺/Ru⁰；(d) Ni^x+/Ni⁰；

【总结】

研究人员采用湿化学法制备独特的Ru-Ni夹层纳米片，同时Ni柱插入两个Ru六边形环的电催化剂。作者发现在碱性溶液中的HER, Ru₂Ni₂SNs/C 具有最优化的界面而且展现出了低的过电位和塔菲尔斜率。对于OER，Ru₂Ni₂SNs/C 同样展现出了更低的过电位和更低的塔菲尔斜率。在全解水过程中，最优化的Ru-Ni夹层纳米片具有1.45V的低的起始电位并且具有极佳的稳定性。

文献链接：Ruthenium-Nickel Sandwiched Nanoplates for Efficient Water Splitting Electrocatalysis，(Nano Energy, 2018, DOI:doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.02.017)

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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