Angew. Chem. ：可应用于高效全电解水的异质互掺(Ru-Co)Ox中空纳米片阵列

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。与此同时，考虑到设备简化和成本降低，高性能的碱性全电解水双功能电催化剂变得更具吸引力。然而，开发高性能的TMO基双功能全电解水电催化剂，仍然具有很大的挑战性。

催化剂的催化性能通常与其组成和结构密切相关。例如，杂原子的掺杂或引入活性位点能够有效调节电子结构和增加催化活性位点；构建异质结构的纳米界面能够有效发挥界面协同效应以及调控活性位点的电子结构；使用金属有机框架（MOFs）作为自模板衍生的中空阵列结构能够增大电化学活性面积以及促进传质过程。因此，一个颇具吸引力的研究课题是，如何通过协同控制催化剂的组成和结构来实现可应用于全电解水的TMO基高效双功能催化剂。

最近，北京大学齐利民教授课题组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钌-钴氧化物（(Ru-Co)Ox）中空纳米片阵列，并用于高效的碱性全电解水。这是首次合成由MOF衍生的含有贵金属的中空纳米阵列结构。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。

中空(Ru-Co)Ox纳米片阵列具有优异的电催化HER和OER活性，主要归因于其优化的化学组成和结构特点。 首先，直接生长在碳布上的(Ru-Co)Ox纳米阵列能够提高电化学稳定性，并促进气泡的快速排出；其次，中空的纳米阵列结构带来了快速的传质和电荷转移，增大电化学活性面积以及促进电解液的浸润；其三，杂原子掺杂和异质纳米界面对(Ru-Co)Ox的电子结构调控能够优化Ru位点，减弱其对吸附氢（Hads）的吸附和加强对吸附氧（Oads）的吸附；最后，由于电势诱导的界面协同效应，一方面Ru-Co3O4中的Co位点和新生成的Co(OH)2能够加速Ru位点对水分子的解离以促进HER活性，另一方面表面氧化的（羟基）氢氧化物和Co-RuO2中的Co位点可以优化Ru位点对于Oads的吸附以促进OER活性。

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。

论文信息：

Heterostructured Inter-Doped Ruthenium-Cobalt Oxide Hollow Nanosheet Arrays for Highly Efficient Overall Water Splitting

Cheng Wang, Limin Qi

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202005436

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