陕西科技大学冯永强AFM-富勒烯晶格限域Ru纳米粒子和单原子协同促进电催化析氢反应

题目：Fullerene Lattice-Confined Ru Nanoparticles and Single Atoms Synergistically Boost Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction

第一作者：Tianmi Luo

通讯作者：Jianfeng Huang, Liyun Cao, and Yongqiang Feng

通讯单位：陕西科技大学

研究内容：

设计和构筑高效、低成本和大电流输出的适合于工业制氢的电催化剂是当前水电解的发展趋势。本文开发了一种新的晶格限域策略，实现单原子（Ru_SA）和Ru纳米颗粒（Ru_NP）嵌入到3D晶体富勒烯网络（CFN）中。

要点1：

Ru_NP和Ru_SA之间的有效协同效应，合成的Ru_NP-Ru_SA@CFN-800显示出显著优异的HER活性。特别是，为了驱动10 mA cm⁻²的电流密度，在碱性条件下，只需要33 mV的过电位。得益于超稳定的CFN基质Ru_NP-Ru_SA@CFN-8000在>1400小时内显示出稳定和长期的电催化稳定性。最重要的是，在工业水平上Ru_NP-Ru_SA@CFN-800可以在251 mV的过电压下提供1000 mA cm⁻²的电流输出，优于商用Pt/C。

要点2：

Ru_NP和Ru_SA之间的电子协同效应能够调节Ru_NP-Ru_SA@CFN-800并降低水解离过程中中间物种的吉布斯自由能，从而加速氢析出过程。

要点3：

此外，稳健的CFN矩阵使该策略扩展到其他过渡金属，例如Cu、Ni和Co。本研究为在能量存储和转换领域构建新型电催化剂提供了新线索。

图1 Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的形貌和结构表征。a）XRD图谱和b）拉曼光谱Ru_NP-Ru_SA@CFN-700（绿色），Ru_NP-Ru_SA@CFN-800（紫色），以及Ru_NP-Ru_SA@CFN-900（红色）。c）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的固态13C NMR。d）TEM图像和颗粒尺寸分布统计以及e），f）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的HRTEM图。g）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的SAED。h）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的AC-HAADF-STEM图。i）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的AFM图。j） Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的HAADF-STEM图和C（绿色）、N（蓝色）和Ru（红色）的对应元素mapping。

图2 Ru_NP-Ru_SA@CFN-800原子结构表征。a）Ru K边的XANES谱和b）傅里叶变换的EXAFS k3加权χ（R）函数谱。c）R空间中的EXAFS拟合曲线。d）Ru K边EXAFS谱的小波变换。

图3 Ru_NP-Ru_SA@CFN-800的HER性能。a）LSV曲线，b）RuNP-RuSA@CFN-800, RuSA@CFN, RuNP@CFNCFN/NC和20%Pt/C在1M KOH溶液中的塔菲尔曲线。c）比较RuNP-RuSA@CFN-800, RuSA@CFN, RuNP@CFNCFN/NC和20%Pt/C在1M KOH溶液中η10和Tafel图。d）RuNP-RuSA@CFN-800在1M KOH溶液中电流密度为10 mA cm⁻²时的长期计时电流测量。e）RuNP-RuSA@CFN-800与其他报道的碱性条件下的HER催化剂相比TOF值。f）法拉第效率RuNP-RuSA@CFN-800在1 M KOH溶液中20 mA cm⁻²的HER。g）比较RuNP-RuSA@CFN-800最近报道的Ru基HER电催化剂1 M KOH中η10。

图4 电催化机理的理论研究。a）Ru_NP-Ru_SA@CFN, Ru_SA@CFN和Ru_NP@CFN的HER的吉布斯自由能。b–d）Ru_NP-Ru_SA@CFN, Ru_SA@CFN和Ru_NP@CFN的电荷差密度。e）DOS和f）COHP图。g）RuNP-RuSA@CFN在碱性介质中可能的HER机制。

图5 在大电流条件下的全解水和析氢性能。a）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800在1M KOH中测试‖IrO₂和Pt/C‖IrO_₂电解槽总的水劈极化曲线。b）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800, Ru_SA@CFN, Ru_NP@CFN、CFN/NC、20%Pt/C和CP在1M KOH中的大电流密度下LSV曲线。c）电流密度为1000 mA cm⁻²时的稳定性试验和d）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800在碱性条件下不同过电位下的多步计时电流曲线。e）Ru_NP-Ru_SA@CFN-800在计时电流测量之前LSV曲线。f）比较RuNP-RuSA@CFN-800在1M KOH中500和1000 mA cm⁻²时与最近报道的其他HER电催化剂的过电位。

图6 M_NP-M_SA@CFN-800（M=Cu、Ni和Co）形貌和结构特征。a–c）CuNP-CuSA@CFN-800（红色），NiNP-NiSA@CFN-800（橙色），CoNP-CoSA@CFN-800（绿色）XRD图谱。d–f）MNP-MuSA@CFN-800的HRTEM图。g–i）d-f）CuNP-CuSA@CFN-800（红色），NiNP-NiSA@CFN-800（橙色），以及CoNP-CoSA@CFN-800（绿色）的相应局部放大HRTEM图。

参考文献

Tianmi Luo, Jianfeng Huang, Yuzhu Hu, Chengke Yuan, Junsheng Chen, Liyun Cao, Koji Kajiyoshi, Yijun Liu, Yong Zhao, Zhenjiang Li, and Yongqiang Feng, Fullerene Lattice-Confined Ru Nanoparticles and Single Atoms Synergistically Boost Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction, Adv. Funct. Mater., 2023.

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