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Chem. Eur. J. :相態調控助力低貴金屬含量NiRu納米晶高效催化電化學析氫2023-05-26
中石化石油化工科學研究院榮峻峰課題組和北京化工大學莊仲濱課題組通過晶相工程策略制備了氮摻雜碳包覆富含六方密堆晶相NiRu催化劑,在低貴金屬載量下呈現出優異的電催化析氫性能,在10 mA/cm2電流密度下的過電位為27 mV。

 

 

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電解水是制備綠氫的主要手段,在實現低碳、綠色循環經濟中具有重要作用。為降低電解水過程中的能耗,高性能的催化劑起著關鍵作用。Ru是一種有潛力的堿性電化學析氫(HER)催化劑,但由于Ru成本高、儲量低,其廣泛應用受到限制。如何通過合理設計和精細結構調控降低Ru的載量并獲得活性更高的Ru基HER催化劑是進一步推動其應用的關鍵。

調控晶相結構是優化催化劑性能的一個重要方法。通過調控晶相結構催化活性原子能夠重新排列形成新的晶格,這為合理排布原子發現高活性晶相提供了可能。但由于亞穩態晶相穩定性差,仍缺乏晶相結構對析氫性能影響的系統研究。

基于以上考慮,中石化石油化工科學研究院榮峻峰課題組和北京化工大學莊仲濱課題組通過熱解有機螯合物的方法合成了N摻雜碳包覆混合晶相NiRu催化劑(NiRu@NC(mix)),該催化劑同時具有面心立方(fcc)和六方密堆(hcp)相的RuNi,且其比例可調。在制備過程中,EDTA作為螯合劑與Ru3+/Ni2+絡合,形成Ru(III)/Ni(II)-EDTA復合結構。在煅燒過程中,Ru(III)/Ni(II)-EDTA絡合物逐漸分解,原位生成CNx物種,形成N摻雜碳殼包覆NiRu納米粒子,碳殼的保護使亞穩態的hcp相穩定存在。催化劑中fcc和hcp晶相的含量可以通過控制反應溫度和NiRu比例來調控。通過系統研究晶相對析氫性能的影響,發現其析氫性能隨著催化劑中hcp相含量的增加而增加。當催化劑中hcp相含量達~70%時展現出優異的HER性能,在10 mA/cm2電流密度下的過電位僅為27 mV,Tafel斜率為42 mV/dec。并且由于碳殼的保護,催化劑具有較高的穩定性,10000循環測試后過電位僅增加9 mV。這一研究表明,合理調控催化劑的晶相結構對于開發高性能的電催化材料至關重要。

文信息

Revealing the Crystal Phase-Activity Relationship on NiRu Alloy Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Carbon towards Efficient Hydrogen Evolution Reaction

Ying Yuan,?Lufan Zheng,?Prof. Junfeng Rong,?XiKang Zhao,?Genghuang Wu,?Prof. Zhongbin Zhuang

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202300062

 

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