Hf-O-Ru与Vo的协同效应促进HER性能

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研究背景

铂族金属和合金在HER中显示出优异的活性，Pt/C是HER的基准电催化剂，其类似物Ru/C也显示出很大的活性改进空间，因为它与氢气的结合强度与Pt相似。然而，Ru纳米颗粒经常从碳基底层脱落，从而导致催化剂失效。为了提高Ru纳米颗粒的稳定性，通常选择过渡金属氧化物作为基底，如TiO2、CeO2ZrO2，Ru纳米颗粒和金属氧化物之间的强相互作用可以抑制催化剂从基底上脱落。重要的是，这种相互作用可以通过在Ru/MO2纳米复合材料中形成Ru-O-M（M= Ti，Ce，Zr）键来调整Ru纳米粒子的表面电子结构和能级。

研究内容

到目前为止，由于HfO2的带隙大，很少被用作电催化的基底或活性成分。然而，它已经被应用于热催化。作为一个路易斯酸位点，孤立的Hf促进了丙酮转化为异丁烯。据报道，Pd/HfO，对甲烷的燃烧具有高度的活性。所以该课题组开发了一种高效的电催化剂，由Ru纳米颗粒和Vo-HfO2组成，用于碱性电解质中的HER。Ru纳米颗粒和HfO2之间的相互作用是决定HER活性的一个关键因素。通过选择不同的表面活性剂来调整Ru-O-Hf键的数量，有目的地制备了一系列的Ru/HfO2催化剂。DFT计算和实验结果表明，Ru/HfO的HER活性为0。

研究要点

1. 因此，VO-Ru/HfO2在所研究的样品中，表现出最好的催化活性，甚至接近最先进的Pt/C。

2. VO-Ru/HfO2-OP的塔菲尔斜率较低，Ru-O-Hf键的数量较多，这突出了析氢动力学的有效机制。通过调控Ru-O-Hf键和Vo量，VO-Ru/HfO2-OP表现出超高的质量活性，这比商业Pt/C和Ru/C分别高出约20倍和17倍。

3. VO-Ru/HfO2-OP的ECSA归一化比电流密度是VO-Ru/HfO2-O和VO-Ru/HfO2-P的8倍和2.8倍，这表明活性位点的数量显著增加，以及固有催化活性的提高，协同作用导致HER性能的提高。

4. VO-Ru/HfO2-OP的电流密度为10 mA cm2时，在连续5000次CV循环后，增加的过电位值仅为5 mV，优于Pt/C（7 mV）。

5. VO-Ru/HfO2-OP的长期耐久性比Pt/C好。在10 mA cm-2的基准下连续测试28小时后，可以观察到VO-Ru/HfO2-OP没有明显的电流衰减。

课题组简介

 刘希恩，青岛科技大学教授。2006年于大连理工大学获工学博士学位。先后在瑞典皇家工学院、美国密歇根州立大学、美国威斯康辛大学-密尔沃基分校、美国宾夕法尼亚州立大学和韩国蔚山科技大学从事能源转化与储存相关领域的研究。2016年1月聘任北京化工大学能源学院教授。2016年12月以高层次引进加入青岛科技大学，2017年12月被聘为山东省泰山学者特聘专家。

研究方向：非金属或非贵金属碳基纳米材料电催化能源器件相关反应；如氧气还原反应（燃料电池和锌空电池），氧气与氢气析出反应（水裂解池），电催化二氧化碳还原以及有机官能团转化。

以第一作者或通讯作者在Nature reviews materials; Angew. Chem. Int. Ed; Adv. Energy. Mater; Adv .Funct. Mater; Nano. Energy; Coord. Chem. Rev; Small等重要国际期刊发表多篇论文。

文献信息

The synergistic effect of Hf-O-Ru bonds and oxygen vacancies in Ru/HfO2 for enhanced hydrogen evolution. Nat. Commun. 2022, 13, 1270.

DOI: org/10.1038/s41467-022-28947-9.

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28947-9

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