NiO雙功能催化劑 助力RuO2水解製氫

據Material Views網站報道：開發清潔能源轉換與存儲技術是實現可持續發展的必經之路。其中，利用太陽能、風能、水(shui)力(li)等(deng)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)進(jin)行(xing)電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)氫(qing)氣(qi)作(zuo)為(wei)最(zui)清(qing)潔(jie)的(de)化(hua)學(xue)燃(ran)料(liao)，用(yong)來(lai)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)上(shang)述(shu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)在(zai)時(shi)空(kong)上(shang)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)地(di)實(shi)現(xian)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)存(cun)儲(chu)和(he)利(li)用(yong)。由(you)此(ci)可(ke)見(jian)
，電(dian)解(jie)水(shui)是(shi)一(yi)項(xiang)極(ji)具(ju)前(qian)景(jing)的(de)能(neng)源(yuan)技(ji)術(shu)。然(ran)而(er)，電(dian)解(jie)水(shui)技(ji)術(shu)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)高(gao)效(xiao)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)。如(ru)何(he)設(she)計(ji)高(gao)活(huo)性(xing)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)是(shi)電(dian)解(jie)水(shui)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)和(he)難(nan)點(dian)所(suo)在(zai)，尤(you)其(qi)是(shi)開(kai)發(fa)具(ju)有(you)雙(shuang)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)的(de)高(gao)效(xiao)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)。

目前，在電解水催化劑的研發中，主要存在兩個策略：一個是尋找高性能的非貴金屬材料來替代傳統的貴金屬電催化劑；另(ling)一(yi)個(ge)是(shi)想(xiang)辦(ban)法(fa)減(jian)少(shao)貴(gui)金(jin)屬(shu)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)用(yong)量(liang)
，同(tong)時(shi)提(ti)高(gao)貴(gui)金(jin)屬(shu)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。對(dui)後(hou)者(zhe)而(er)言(yan)，常(chang)見(jian)的(de)思(si)路(lu)是(shi)設(she)計(ji)貴(gui)金(jin)屬(shu)與(yu)過(guo)渡(du)金(jin)屬(shu)的(de)合(he)金(jin)或(huo)者(zhe)合(he)金(jin)化(hua)合(he)物(wu)。該(gai)方(fang)法(fa)往(wang)往(wang)依(yi)賴(lai)高(gao)通(tong)量(liang)量(liang)子(zi)化(hua)學(xue)計(ji)算(suan)和(he)大(da)量(liang)的(de)試(shi)錯(cuo)法(fa)實(shi)驗(yan)。因(yin)此(ci)
，要(yao)想(xiang)通(tong)過(guo)第(di)二(er)種(zhong)策(ce)略(lve)在(zai)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)取(qu)得(de)突(tu)破(po)需(xu)要(yao)廣(guang)大(da)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)打(da)破(po)傳(chuan)統(tong)思(si)路(lu)
，在(zai)理(li)解(jie)反(fan)應(ying)機(ji)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)進(jin)行(xing)更(geng)加(jia)合(he)理(li)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)設(she)計(ji)與(yu)可(ke)控(kong)合(he)成(cheng)。

近期
，澳大利亞阿德萊德大學化工學院喬世璋教授課題組提出了NiO作為一種雙功能助催化劑，通過NiO和RuO₂之間的電勢誘導協同效應同時提高複合催化體係的OER和HER催化性能，用以提高RuO₂的雙功能催化活性並減少其用量。該催化體係的設計主要基於大量的理論計算和機理研究。對於OER半反應，RuO₂在OER“火山圖”上從氧的弱吸附方向接近火山頂，在一定程度上加強RuO₂對氧的吸附能力能夠進一步提高它的OER活性。在OER氧化電位下
，NiO先被氧化為NiOOH

，所得NiOOH對氧具有強吸附性
，因而能夠提高RuO₂的氧吸附特性來提升OER性能。另一方麵，對於HER半反應，在堿性電解液中

，NiO能夠有效地促進水分子的裂解。在HER電位下，RuO₂表麵能夠被還原為Ru
，所得Ru對氫原子具有較強的吸附特性，因而能夠加速吸附水裂解所產生的氫原子
，從而提高HER動力學。

該課題組采用簡單的濕化學法合成出了由NiO和RuO₂納米顆粒構成的多孔納米片陣列，其中RuO₂的質量分數約為18.2%。測試表明，RuO₂/NiO複合體係的OER催化活性比RuO₂高出2.6倍
，其HER催化活性與Pt/C相當。作為雙功能催化劑，它隻需要1.5 V就能取得10 mA/cm²的全水分解電流密度，超過了由Pt/C和IrO₂組成的標準催化體係。同時，基於Tafel斜率的電化學理論分析和實驗測試進一步證實了上述RuO₂和NiO之間的電勢誘導協同效應。

此(ci)項(xiang)工(gong)作(zuo)不(bu)僅(jin)為(wei)合(he)理(li)設(she)計(ji)高(gao)性(xing)能(neng)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)思(si)路(lu)

，也(ye)加(jia)深(shen)了(le)對(dui)電(dian)解(jie)水(shui)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)協(xie)同(tong)催(cui)化(hua)效(xiao)應(ying)的(de)理(li)解(jie)，為(wei)指(zhi)導(dao)開(kai)發(fa)更(geng)加(jia)優(you)異(yi)的(de)複(fu)合(he)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)奠(dian)定(ding)了(le)一(yi)定(ding)基(ji)礎(chu)。相(xiang)關(guan)論(lun)文(wen)發(fa)表(biao)在(zai)Small（DOI: 10.1002/smll.201704073）上。