锰掺杂二氧化钌纳米晶用于高效酸性析氧反应

析氧反应 (OER)作为全水分解反应的瓶颈,寻找高活性、高稳定性的纳米催化剂用于OER是当前电催化领域的研究热点。作为OER的标杆级催化剂,二氧化钌表现出相对最优的OER性能,但是在酸性电解质溶液中,Ru易被氧化为可溶性的高价态,从而极大地削弱了反应活性,降低了稳定性。通过过渡金属掺杂实现活性位点Ru周围电子结构的调控可以有效地提升催化活性,并且通过电子转移实现低价Ru的合成,最大程度地保证了稳定性。最近,中国科学技术大学陈乾旺课题组在ACS Catalysis上发表了“Mn-doped RuO2 Nanocrystals as Highly Active Electrocatalysts for Enhanced Oxygen Evolution in Acidic Media”论文。

该文报道了一种基于MOFs前驱体简单一步热处理获得锰掺杂二氧化钌纳米晶的酸性电催化剂,所得产物在pH=0 的硫酸溶液中,10 mA/cm2的电流密度下OER过电位仅为158 mV,稳定性超过10 h,实现了当前酸性OER电催化剂的最高水平。通过同步辐射和X射线光电子能谱表征,确定了该材料中Ru的价态低于纳米氧化钌中Ru的价态,并且在循环前后得以稳定存在;结合密度泛函理论计算和Bader电荷分析,证明了氧化钌的(101) 晶面在锰掺杂前后的电子结构变化,锰掺杂有效降低了OER决速步骤的反应势垒,从而降低反应过电位。

论文的第一作者是微尺度物质科学研究中心博士生陈实、黄浩和江鹏。全文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.9b04922