近日，蔣昆副教授課題組在酸性電解水陽極材料和器件設(shè)計研究方面取得新進展，在催化領(lǐng)域期刊ACS Catalysis上發(fā)表了題為Electronic Structure Modulation of RuO2 by TiO2 Enriched with Oxygen Vacancies to Boost Acidic O2 Evolution 的研究成果，合作研究單位包括上海電力大學(xué)、武漢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海高等研究院，蔣昆副教授為通訊作者。
圖1. 尺寸穩(wěn)定電極上氧空穴位點對于材料電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用示意圖
基于質(zhì)子交換膜電解槽（PEMWE）的酸性水分解技術(shù)是目前最成熟的綠氫制備工藝；相較2電子轉(zhuǎn)移的陰極析氫半反應(yīng)而言，陽極水氧化過程（OER）是整個PEM電解水的決速步驟。由于強酸性環(huán)境、高氧化電位的嚴苛操作條件，陽極材料目前多局限于Ir，Ru基貴金屬氧化物。相較儲量稀少的IrO2而言，RuO2不僅成本更為低廉，也具有更高的OER電催化活性，但在實際水氧化過程中會由于載體腐蝕、高價態(tài)Ru6+ /Ru8+溶出等問題，而無法穩(wěn)定運行。
針對酸性介質(zhì)中RuO2催化的OER過程，目前主要有兩種反應(yīng)路徑被廣泛接受，即晶格氧機制（LOM）和吸附質(zhì)演化機制（AEM）。在AEM中，四個協(xié)同的質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移步驟發(fā)生在單個Ru位點上，因此，適當調(diào)節(jié)*O的吸附強度可顯著調(diào)控OER的反應(yīng)活性，降低過電位需求，從而提升OER穩(wěn)定性。在LOM中，催化劑晶格氧的交換雖然可以降低OER反應(yīng)能壘，但不可避免會產(chǎn)生可溶性RuO2(OH)2、RuO4物種，加速催化劑腐蝕。對此，通過分散度和電子結(jié)構(gòu)調(diào)制，開發(fā)低成本、高活性的RuO2基陽極材料，同時抑制LOM路徑以提升電催化穩(wěn)定性，是實現(xiàn)釕基氧化物穩(wěn)定驅(qū)動PEMWE運行的重要途徑。
圖2. RuO2模型表面OER的反應(yīng)路徑和能壘分析，以及電化學(xué)原位拉曼表征
DFT理論計算表明，RuO2(110)/D-TiO2模型表面由基于Eley–Rideal路徑的AEM反應(yīng)機制占主導(dǎo)，從而規(guī)避了LOM機制對于RuO2晶格結(jié)構(gòu)的破壞及活性位點的流失；且RuO2(110)/D-TiO2相較無缺陷的TiO2 負載催化劑及RuO2 (110)模型表面，OER的限制電勢 (UL) 最低，從理論上揭示了酸性O(shè)ER高活性的原因。此外，所制備的RuO2/D-TiO2催化劑在三電極OER測試中，達到10 mA cm−2時僅需180 mV的過電位，PEMWE單體測試中2 A cm−2時電解槽槽壓僅為1.84 V，能量轉(zhuǎn)化效率達68.1%；且在200 mA cm−2下穩(wěn)定電解超過100 h。
圖3. OER穩(wěn)定性評估和PEMWE電解槽測試結(jié)果
蔣昆副教授致力于表面電化學(xué)、能源材料和工程熱物理的交叉研究，形成了具有特色的能源催化界面與器件研究方向。該工作受到上海交通大學(xué)“深藍計劃”資助，為深海環(huán)境原位制氧方向的系統(tǒng)性成果之一，相關(guān)工作陸續(xù)發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition、ACS Sustainable Chemistry & Engineering（入選當期封面亮點研究）上。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01944
學(xué)院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學(xué)閔行校區(qū)機械與動力工程學(xué)院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn