北京大学齐利民课题组Angew :在高效全电解水催化剂研究中取得重要进展
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电化学分解水被认为是一项最有希望应用于大规模产氢的技术，但它需要研发高效的电催化剂，以应对由阴极氢析出反应（HER）和阳极氧析出反应（OER）的缓慢动力学引起的高过电势。最近，过渡金属基催化剂，尤其是易于合成且组成和结构易于调节的过渡金属氧化物（TMOs），已被广泛研究应用于高效的水分解，旨在替代昂贵的Pt基HER和Ir基OER催化剂。然而，开发高性能的TMOs基双功能全电解水电催化剂，仍然具有很大的挑战性。
最近，北京大学齐利民课题组利用金属有机框架（MOF）纳米阵列作为模板，通过原位转化制备得到具有独特结构的钌-钴氧化物（(Ru-Co)Ox）中空纳米片阵列，并将其作为双功能催化剂应用于高效的碱性全电解水（图1）。
图1 (Ru-Co)Ox中空纳米片阵列应用于碱性全电解水
他们通过温和的离子交换结合低温空气中退火的方法，将生长在碳布上的Co MOF纳米片阵列转化为异质结构且互相掺杂的(Ru-Co)Ox中空纳米片阵列（图2a）。合成得到的(Ru-Co)Ox催化剂具有优异的HER活性，在10 mA cm–2电流密度下的过电位仅为44.1 mV且具有较小的Tafel斜率（23.5 mV dec–1）；它同时具有出色的OER活性，在10 mA cm–2电流密度下的过电位仅为171.2 mV。应用于高效的碱性全电解水时，中空(Ru-Co)Ox纳米片阵列在10 mA cm–2电流密度下仅需要1.488 V的槽电压（图2b-f）。(Ru-Co)Ox中空纳米片阵列的优异电催化活性可归因于其优化的化学组成和结构特点，如独特的中空纳米阵列结构、杂原子掺杂和异质纳米界面。这项工作为设计合成可应用于高效电化学能量转换的具有理想组成和结构的纳米阵列开辟了一条新的途径。
图2 (Ru-Co)Ox纳米阵列的合成机理示意图及其HER、OER和全电解水性能
该研究工作近期以“Heterostructured Inter-Doped Ruthenium-Cobalt Oxide Hollow Nanosheet Arrays for Highly Efficient Overall Water Splitting”为题在Angew. Chem. Int. Ed.发表。北京大学化学与分子工程学院博士研究生王成为该论文的第一作者，齐利民教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。
论文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202005436
来源：北京大学
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