【人物与科研】中国科大章根强课题组Adv. Mater.：Ru团簇披上RuO2外骨骼实现酸/碱电解水性能大爆发

导语

Ru及合金是一类在酸性和碱性中均具有优异氢析出（HER）活性的材料。然而，Ru基合金用于氧析出时会在高电位下被迅速氧化而腐蚀。为此，将钌进行功能化改性构建氧化物可以激活材料OER活性。如将Ru包覆一层IrO_x皮肤，能够有效抑制内核溶解，同时IrO_x皮肤和Ru核之间存在应力作用，可以改善材料OER活性和稳定性。但是，核壳结构诱发的界面电荷作用和应力作用具有短程有效性，说明需要构建具有亚纳米尺度的功能性皮肤才能有效施加应力作用，调控电子结构，从而有望赋予材料多功能电催化性能。鉴于此，本工作在具有HER活性的Ru核外披上一层超薄的RuO₂外骨骼，构建了一种具有HER和OER双活性的核壳异质结构，在广泛pH范围内实现了电解水性能提升。

氢能由于其清洁无污染、热值高、可循环等特点而受到广泛的关注。而电解水制氢是一种清洁的制氢方式，但是仍有一些因素制约其发展，其中，氧析出（OER）和氢析出（HER）催化剂是决定绿氢制备成本的关键因素。尽管廉价的3d周期过渡金属氧化物（氢氧化物），金属有机框架化合物（MOF）等材料OER性能优异，但其在酸性中会被溶解；而Pt基催化剂在酸性中明显产氢的过电位尽管只有几十毫伏，在碱性中的HER性能却比酸性中低2-3个数量级，导致了电解槽中阴阳极催化剂的最佳工作条件不匹配，因此亟需发展具有pH普适活性的材料。 

近日，来自中国科学技术大学的章根强教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Arming Ru with Oxygen Vacancy Enriched RuO₂ Sub-nanometer Skin Activates Superior Bifunctionality for pH-Universal Overall Water Splitting”的研究文章（DOI: DOI: 10.1002/adma.202206351）。该文章首次报道了一种亚纳米尺寸RuO₂外骨骼修饰Ru的核壳结构，实现了酸性和碱性环境中电解水性能提升，加速了可再生能源到绿氢的转换。

前沿科研成果

图1. Ru@V-RuO₂/C HMS的合成过程、形貌和微结构分析（来源：Advanced Materials）

该核壳结构的合成相对简单。首先，利用三聚氰胺的氨基与Ru³⁺之间的静电作用，能大量制备富含Ru³⁺的三聚氰胺分子晶体。随后将其在Ar气中快速退火，能够形成Ru纳米团簇均匀分布的碳基微米片——Ru/C HMS。最后，通过调控反应温度和时间，在200 ^oC低温氧化3 h即可在Ru团簇表面均匀披上一层薄薄的富含氧空位的RuO₂外骨骼，激活其OER活性，并优化了HER活性。

图2. Ru@V-RuO₂/C HMS的OER和HER性能评估（来源：Advanced Materials）

研究发现，Ru/C HMS几乎没有OER活性，但在表面披上一层具有氧空位的RuO₂外骨骼后，OER活性得到了显著提升，在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH中分别仅需176和201 mV的过电位即可达到10 mA cm^-2，同时循环稳定性也明显增长。另外，Ru@V-RuO₂/C HMS的HER活性相比Ru/C HMS得到了进一步改善，达到10 mA cm^-2时的过电位仅仅为47 mV（0.5 M H₂SO₄）和6 mV（1.0 M KOH）。因此，RuO₂外骨骼修饰的Ru基核壳结构实现了HER和OER双功能活性的集成，可直接用于酸/碱电解水。该研究工作对于核壳结构的可控构筑提供了新的研究思路。

作者简介

通讯作者章根强：中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究、高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过10000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。
第一作者李亚鹏：2021年博士毕业于中国科大，现为中国科大与温州大学联合培养博士后，从事电催化设计与应用，包括电解水制氢，锌空气电池，微生物电解制氢，低能耗耦合制氢等。以第一作者在Science Advances、Advanced Materials、Energy Storage Materials、Small等著名期刊上公开发表论文。获批国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目资助。

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。