電催化能源轉化技術, 如電催化分解水制氫, 電催化二氧化碳還原以及電催化氮氣還原等, 是一種取代化石能源, 減少碳排放, 獲取可再生燃料的重要途徑. 電催化析氧反應 (OER) 是這些電催化能源轉化中重要且通用的陽極半反應. 然而, OER在動力學上較為緩慢, 需要高效的析氧電催化劑來降低反應能壘, 從而加速OER的進行. 經過幾十年的努力, 人們發展出大量高效且穩定的堿性OER電催化劑, 然而在酸性OER電催化劑的發展上卻收效甚微. 由於在酸性PEM電解池中進行電催化反應具有更高的傳質速度, 產物純度以及效率等優勢, 因此開發高效的酸性OER電催化劑具有更重要的大規模應用意義. 目前, 缺乏高活性且穩定的酸性OER電催化劑仍然是阻礙電催化能源轉化反應在酸性介質中發展的一大瓶頸.
近日, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬新能源所研究員陳亮團隊以設計電催化劑的表面構造和電子結構為出發點, 發展出了可以在酸性電解液中應用的高活性且穩定的OER電催化劑. 在該研究中, 蘇建偉以通過Ru陽離子交換後的金屬有機框架衍生物作為前驅體, 在空氣中焙燒製備了由超小納米晶粒組裝而成的Cu摻雜的RuO2空心八面體材料. 這種方法通過降低焙燒溫度來減少RuO2納米晶的粒徑, 從而可以暴露出具有低配位數的高密勒指數面. 作為酸性析氧電催化劑, 在電流密度達到10mA/cm2 時其過電位僅為188mV, 表現出比商用RuO2電催化劑更優異的電催化析氧活性和穩定性. 田子奇通過密度泛函理論類比計算髮現, 高能面上的三配位Ru原子在反應過程逐步被氧化從而大幅度降低OER的反應能壘, 同時Cu摻雜可以調整RuO2的電子結構從而大幅度提高其OER催化活性. 該項工作以Assembling Ultra-Small Copper-doped Ruthenium Oxide Nanocrystals into Hollow Porous Polyhedra: Highly Robust Electrocatalysts for Oxygen Evolution in Acidic Media 為題發表在《先進材料》 (Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201801351) 上.
上述工作得到了國家基金委面上項目, 浙江省自然基金傑青項目, 寧波市創新團隊與中國博士後基金面上項目的大力支援.
