科泰催化 容容 科泰催化 2024-05-30 23:30 廣東
武漢理工木士春 2024 nc
DOI：10.1038/s41467-024-48372-4
文章摘要
1. 介紹
材料設(shè)計(jì)與表征
3. 原子和局部電子結(jié)構(gòu)
4. 電化學(xué)性能評估
5. 穩(wěn)定性測試
6. 理論計(jì)算和原位拉曼光譜
7. 控制實(shí)驗(yàn)與比較
8. 結(jié)論
MD-RuO2-BN的設(shè)計(jì)和合成展示了高效穩(wěn)定Ru基催化劑的可能性，適用于PEMWEs的實(shí)際應(yīng)用。
問題解答：
1. 如何通過熔鹽系統(tǒng)誘導(dǎo)形成具有多尺度缺陷的RuO2納米顆粒？
在500°C的氬氣氣氛中，以KCl-LiCl熔鹽系統(tǒng)作為反應(yīng)的液體觸發(fā)劑，可以在352°C的最低共熔點(diǎn)下誘導(dǎo)形成RuO2納米顆粒。這種熔鹽在高溫下具有流動(dòng)性和均勻性。當(dāng)反應(yīng)冷卻并去除再結(jié)晶的鹽時(shí)，超細(xì)的RuO2顆粒和內(nèi)部孔隙會(huì)組裝成雙連續(xù)納米反應(yīng)器。這一過程導(dǎo)致 RuO2 納米顆粒具有多尺度缺陷，包括Ru和O的空位以及晶內(nèi)和晶間邊界。這些缺陷有助于提高催化效率和穩(wěn)定性。
2. MD-RuO2-BN的雙連續(xù)納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提高其催化活性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵是什么？
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豐富的活性位點(diǎn)：獨(dú)特的雙連續(xù)納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提供了大量的活性位點(diǎn)，這有利于增強(qiáng)催化反應(yīng)。
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快速質(zhì)量傳遞：通過腔體約束效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)促進(jìn)了快速的質(zhì)量傳遞，提高了催化效率。
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缺陷的存在：存在的空位和晶界賦予MD-RuO2-BN豐富的低協(xié)調(diào)Ru原子，這些原子可以增強(qiáng)催化活性。
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減弱的Ru-O相互作用：材料內(nèi)部的Ru-O相互作用被削弱，這抑制了晶格氧的氧化和高價(jià)態(tài)Ru的溶解，從而提高了催化劑的耐久性。
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優(yōu)化的電子和微觀結(jié)構(gòu)：同步優(yōu)化的電子和微觀結(jié)構(gòu)使得MD-RuO2-BN在酸性環(huán)境中表現(xiàn)出超高的水氧化活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和極低的降解速率（1.2 mV h-1）。
通過這些機(jī)制，MD-RuO2-BN能夠在酸性環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的催化性能并保持穩(wěn)定，降低了對昂貴銥基催化劑的需求。
3. MD-RuO2-BN組裝的PEMWE單電池測試
測試條件：
由CCM、PTL和雙極板組成的PEMWE單體電池中，對實(shí)際應(yīng)用中MD-RuO2-BN、K-RuO2和C-RuO2的OER活性進(jìn)行了評價(jià)。
首先，制備了催化劑層。將35 mg Pt/C (40 wt%)粉末、300 mg Nafion溶液(5 wt%)、2 ml去離子水和8 ml異丙醇混合，在冰浴中超聲處理60 min，制備陰極催化劑油墨。用RuO2粉末40 mg、Nafion溶液200 mg(5%)、去離子水1 ml、異丙醇4 ml混合制備陽極催化劑油墨，在冰浴中超聲處理60 min。通過噴涂將催化劑油墨轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯(PTFE)片上，形成催化劑層。
接下來，進(jìn)行了CCM的組裝，其中選擇的電解質(zhì)是Nafion 115®膜(127 μm)。Nafion 115®膜需要以下預(yù)處理: 5%過氧化氫在80度下處理1小時(shí)，然后在去離子水中浸泡0.5小時(shí); 5%稀硫酸在80 ℃下煮沸1 h，然后在去離子水中浸泡0.5 h。
然后，將負(fù)載在PTFE片上的催化層通過傳統(tǒng)的貼花方法或熱轉(zhuǎn)印方法轉(zhuǎn)移到Nafion 115®膜的兩側(cè)。具體操作參數(shù)為:熱壓溫度130℃，壓力20 MPa，熱壓時(shí)間10 min。為防止CCM在冷卻過程中因收縮應(yīng)力引起的變形和坍塌，熱壓后需用扁平重物壓1 min，然后小心地剝離表面PTFE。然后得到活性面積為4 cm2的CCM(陰極和陽極催化劑層的負(fù)載分別為2 mg cm-2和1mg cm-2)。
最后，使用扭矩扳手(8 N m)將雙極板、PTL(厚度為0.6 mm的鈦氈)和制備的CCM組裝成PEMWE單電池，并在測試系統(tǒng)(工作溫度80℃，流速30 ml min-1)中進(jìn)行相關(guān)性能測試(極化曲線、隨時(shí)間變化的電流密度曲線)。
測試結(jié)果：
使用MD-RuO2-BN作為陽極催化劑的PEMWE單電池在達(dá)到1 A cm-2的電流密度時(shí)，只需要1.64 V的電壓，優(yōu)于使用K-RuO2-PEM-Pt/C（1.72 V@1 A cm-2）和C-RuO2-PEM-Pt/C（1.85 V@1 A cm-2）的性能。
在穩(wěn)定性測試中，以1.65, 1.72, 和1.85 V的恒定電壓進(jìn)行測試，MD-RuO2-BN基電解器在50小時(shí)內(nèi)保持了水解活性。相比之下，K-RuO2和C-RuO2在僅25小時(shí)的運(yùn)行后出現(xiàn)了明顯的性能下降，特別是C-RuO2。
在1 A cm-2的電流密度下運(yùn)行50小時(shí)后，MD-RuO2-BN催化層沒有從陽極分離，證明了其優(yōu)異的穩(wěn)定性。
跨截面和平面形態(tài)的MEA（膜電極組件）進(jìn)一步顯示催化層和膜結(jié)構(gòu)都得到了很好的保存。
