中科大宋礼/陈双明课题组CEJ文章：阳极反常的钌溶解现象在强酸中实现高效的集成CO2电还原

文 章 信 息

阳极反常的钌溶解现象可在强酸中实现高效的集成 CO₂ 电还原

第一作者：圣蓓蓓，曹登丰，寿宏伟

通讯作者：陈双明*

单位：中国科学技术大学

研 究 背 景

近年来，新兴的酸性条件CO₂电解槽克服了中性/碱性介质中生成碳酸盐/碳酸氢盐导致碳利用效率低的局限性，为实现碳循环和环境优化提供了一条有前景的途径。然而，整体式CO₂转换电解槽必须考虑析氧反应(OER)的迟缓反应动力学，特别是在酸性介质中。

在此，我们证明了通过钾调制RuO₂催化剂的表面结构，阳极OER性能有显著改善。得到的K-RuO₂电催化剂的10 mA/cm²的过电位仅为170 mV，具有较长的稳定性，优于RuO₂的催化性能。先进的基于同步辐射的复合技术(SRMS)和理论计算表明，异常溶解导致了显著的性能，这是由有K-RuO₂的活性RuCUS位点比例增强引起的。

当K-RuO₂与铋的阴极CO₂RR催化剂耦合时，其电池电压较低，在强酸中的耐久时间较RuO₂催化剂长近4倍。本研究深入了解了阳极RuO₂催化剂的真实活性结构，为酸性OER高性能贵金属基催化剂的设计开辟了新途径，并为CO₂电解技术的发展做出了贡献。

文 章 简 介

基于此，来自中国科学技术大学的宋礼/陈双明老师课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Anomalous Ru dissolution enabling efficient integrated CO₂ electroreduction in strong acid”的研究文章。该文章分析了在强酸溶液中，集成 CO₂ 电还原电解体系中的阳极OER反常的钌溶解现象。

图1. 同步辐射表征手段解析阳极OER的反常溶解现象示意图。

本 文 要 点

要点一：合成及其表征

一般来说，一个完整的CO₂转化系统包括阴极CO₂还原反应(CO₂RR)和阳极析氧反应(OER)。近年来，新兴的酸性条件CO₂电解槽克服了中性/碱性介质中生成碳酸盐/碳酸氢盐导致碳利用效率低的局限性，为实现碳循环和环境优化提供了一条有前景的途径。因此通过简单的一步水热法合成了K掺杂的RuO₂ (K-RuO₂), X射线谱学表征等证明K元素的成功掺杂。

图2：X射线谱学表征K-RuO₂及其参比样品。

要点二：优异的电催化性能及反常溶解现象

得到的K-RuO₂电催化剂具有良好的活性和耐用性。特别是在pH=0的条件下，可连续催化析氧40 h，电流密度衰减不明显，电流密度为10 mA/cm²时，过电位为170 mV，超过了目前大多数的电催化剂。此外，当K-RuO₂与铋(Bi)的阴极CvRR催化剂对偶时，在强酸中产生HCOOH，达到了降低电池电压和延长耐久性的效果。然而，K-RuO₂电催化剂表现出了常被忽视的Ru溶解异常现象，在稳定循环过程中溶解达到4.5%，是RuO₂(仅1.1%)的4倍多。

图3. 优异的酸性OER性能。

要点三：理论计算及同步辐射多谱学表征解析反常溶解

为了更好地理解K-RuO₂的异常溶解现象，采用基于同步辐射的多技术(SRMS)和理论计算相结合的方法，建立了结构与失活之间的真实关联。DFT理论计算表明，掺杂k可以调节RuO₂的表面自由能，即，RuO₂(110)上稳定的RuBRI位点转变为K-RuO₂上的RuCUS位点，导致大量活性Ru的暴露增加了OER活性。

采用基于同步辐射的operando x射线吸收精细光谱(XAFS)、差分谱(∆μ-XAFS)和x射线衍射(SRXRD)等先进表征方法，清楚地揭示了K-RuO₂虽然产生了更多的溶解Ru，但仍保持了稳定的相结构和增加的活Ru原子比例。

图4. 理论计算和同步辐射多谱学表征

文 章 链 接

Anomalous Ru dissolution enabling efficient integrated CO₂ electroreduction in strong acid

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722057254

通 讯 作 者 简 介

陈双明，中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员、硕士生导师，中国科学院“青年创新促进会”会员。2014年博士毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室。2014-2016年在中国科学技术大学国家同步辐射实验室从事博士后工作（合作导师：宋礼）。2017年转为副研究员。

近年来，针对能源材料的动态储能与催化机制，发展同步辐射谱学分析技术，开展了一系列创新性探索。针对能源材料的动态储能与催化机制，发展同步辐射谱学分析技术，开展了一系列创新性探索。近五年来，以第一/共一或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials等国际知名期刊上发表论文49篇，H因子52，担任《物理化学学报》青年编委。

宋礼，博士，中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授、博士生导师。2006年于中国科学院物理研究所获凝聚态物理博士学位，师从解思深院士。2006至2012年在德国慕尼黑大学、美国莱斯大学和日本信州大学开展科学研究，历任洪堡学者、博士后和副教授。入选2011年中科院百人计划和2018 年科技部中青年科技创新领军人才，获“2016年度王宽诚育才奖”、“2020年度中科院优秀导师奖”和“2020年度唐立新研究学者奖”。

长期致力同步辐射技术开发及应用的研究，迄今论文总引用20000余次，H因子73，入选科睿唯安2019和2020全球高被引科学家。近五年发表通讯作者论文80余篇，包括Nature Energy、Energy & Environmental Science 2篇、Advanced Materials 7篇、Materials Today 2篇。目前担任中国物理学会四刊联合青年编委、同步辐射专业委员会委员，受邀撰写综述文章7篇、国际会议邀请报告20余次。

宋礼教授课题组主页：

http://staff.ustc.edu.cn/~song2012/

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