丁洁/刘玉山CEJ：Ru-RuO2/Mn-MoO2复合材料实现高效析氢、析氧、氧还原！

本世纪以来，不断增加的能源需求和随之而来的环境危机推动了对可持续能源转换和存储技术的探索，包括金属-空气电池和水电解槽。析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)是这些技术必不可少的反应。实际上，这些反应都面临着高反应势垒和反应动力学缓慢的问题，而高效的电催化剂是解决这些问题的关键。目前，贵金属基材料仍被认为是最优异的电催化剂，如Pt和IrO₂。

然而，贵金属催化剂的高成本、稀缺性和不稳定性极大地限制了这些催化剂的商业应用。此外，由于三种反应的性质不同，单一组分的电催化剂无法同时满足所有的需求。解决这一问题的方法是对不同的反应使用不同的催化剂，但这将增加额外的设备和工艺的费用。另一种策略是制备经济高效、稳定的多功能电催化剂，可同时用于HER、OER和ORR。与相对容易获得的双功能电催化剂相比，制备HER、OER和ORR三功能电催化剂仍然是一个挑战。

基于此，郑州大学丁洁和刘玉山(共同通讯)等人通过简单的固相反应策略成功制备了一种新型三功能Ru-RuO₂/Mn-MoO₂(RRMM)电催化剂，该催化剂展现出了优异的催化性能。

本文利用典型的三电极体系测试了催化剂的电催化性能。测试结果表明，当Mo：Ru：Mn的摩尔比为1：1：1时，退火温度为400 ℃时，催化剂(RRMM)具有最低的过电位和最小的Tafel斜率。与RuO₂(329 mV)、Ru/RuO₂(57 mV)、Ru/RuO₂/MoO₂(53 mV)、MoS₂(255 mV)、Mn-MoO₂(194 mV)、Ru/Mn-MoO₂(74 mV)和RMM前驱体(292 mV)相比，RRMM在10 mA cm^-2时的过电位最低，为15 mV。

与商业Pt/C相比，RRMM在10 mA cm^-2的电流密度下表现出具有竞争力的过电位，在较高的电流密度下依旧表现出较低的过电位。由于具有双功能特性的Ru-RuO₂，RRMM也被用作OER电催化剂。与商业RuO₂(310 mV)、Ru/RuO₂(299 mV)、Ru/RuO₂/MoO₂(285 mV)和RMM(477 mV)相比，RRMM仅需要260 mV的低过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度，展现出了优异的OER性能。

为了验证RRMM是否具有三功能特性，本文还在O₂饱和的0.1 M KOH溶液中测试了催化剂的ORR活性。令人满意的是，RRMM的起始电位(E_onset)为0.92 V，半波电位(E_1/2)为0.83 V，与Pt/C非常接近(E_onset=0.98 V，E_1/2=0.85 V)。

虽然RRMM的Tafel斜率(130 mV dec^-1)略高于Pt/C(103 mV dec^-1)，但远低于Mn-MoO₂(341 mV dec^-1)、Ru/Mn-MoO₂(133 mV dec^-1)、RMM(276 mV dec^-1)。值得注意的是，Ru/RuO₂/MoO₂没有ORR活性，这说明RRMM的ORR活性来源于MoO₂相中的Mn掺杂。

总之，本文利用简单的固相反应(SPR)策略成功制备了一种新型的三功能RRMM电催化剂。本文的理论和实验结果表明，RRMM中特定的催化组分促进了相应的氧化还原反应，其他的催化组分将起到辅助作用，或加速反应过程，或提高整个催化体系的稳定性。

在RRMM中，Ru NPs是HER的核心活性位点，RuO₂触发了OER，Ru-RuO₂异质界面有利于反应中间体的吸附和脱附。除此之外，Mn掺杂的MoO₂还作为优异的基底，有利于催化剂表现出优异的稳定性。

更重要的是，Mn掺杂的MoO₂是ORR的主导成分，Ru-RuO₂和氧空位(V_O)有效地调节了Mn掺杂MoO₂的电子结构，促进了电子转移。值得注意的是，根据RRMM优异的HER和OER性能，本文将RRMM电催化剂同时作为阴极和阳极构建了RRMM/NF||RRMM/NF全水解体系。

测试后发现，RRMM/NF||RRMM/NF只需要1.53 V的低电压就能达到10 mA cm^-2的电流密度，优于Pt/C/NF||RuO₂/NF(1.57 V)和NF||NF(1.93 V)。总之，本文的简单合成策略将为制备高性能、多功能电催化剂提供一条新的途径。

Tri-Functional Ru-RuO₂/Mn-MoO₂ Composite: A High Efficient Electrocatalyst for Overall Water Splitting and Rechargeable Zn-Air Batteries, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.143760.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143760

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