原創 秦睿等 科學材料站 2021-12-10
文 章 信 息
釕修飾二硒化鎳納米片陣列加速了全解水吸附動力學
第一作者：秦睿
通訊作者：木士春*
單位：武漢理工大學
研 究 背 景
目前，渡金屬硒化物因具有適當d電子密度及高的導電性受到人們極大的關注，并被視為最有潛力的全解水電催化劑之一。然而，其HER/OER雙功能性能離貴金屬基催化材料還有一定距離。如果能采用少量的貴金屬改性硒化物，有望大幅提高其電催化活性。其中，釕（Ru）是一種具有低成本和高催化活性特點的貴金屬，已有研究表明其可與非貴金屬催化劑協同促進電催化反應。因此，釕與硒化物的結合對低成本、高性能的全解水制氫催化劑的研究具有重要的科學意義和潛在應用價值。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學的木士春教授團隊在國際知名期刊Small上發表題為”Ru-incorporated Nickel Diselenide Nanosheet Arrays with Accelerated Adsorption Kinetics toward Overall Water Splitting”的文章。該工作采用了一種簡單的合成策略，將超低載量（2.76 wt%）的Ru與NiSe2進行了有機的結合，在保持NiSe2納米片陣列結構的同時優化了金屬位點上的吉布斯吸附自由能，有效改善了催化劑的OER、HER和全解水性能。
圖1. Ru-NiSe2/NF催化劑的合成示意圖
本 文 要 點
要點一：DFT理論計算
DFT計算表明， Ru的加入可以優化金屬Ni位點上H2O分子和HER/OER中間體的吉布斯吸附自由能，從而加速反應動力學。
圖2. DFT理論計算
要點二：Ru的保形作用
Ni（OH）2具有良好的三維納米片陣列結構，若直接硒化，則形貌會坍縮成納米褶皺；若在退火前將其浸入Ru3+溶液中，則可以完整地保留納米片陣列形貌，而且與原始NiSe2相比還具有更優的三維空間結構及更大的電化學比表面積。
要點三：同時具有高效的HER、OER及全解水性能
制備的Ru-NiSe2/NF在OER、HER和全水解過程中表現出高的電催化活性和穩定性。在堿性介質中，當電流密度為10 mA cm-2時，OER過電位僅為210 mV，HER過電位為59 mV，全水解過程也僅需1.537 V。
圖3. OER性能
圖4. HER性能
圖5. 全水解性
要點四：原位拉曼探測OER反應過程
采用原位拉曼技術進一步研究了OER過程，結果表明在OER過程中形成了中間體NiOOH，并伴隨著NiSe2的溶解，反應活性中心隨之轉移。
圖6. 原位拉曼光譜
文 章 鏈 接
Ru-Incorporated Nickel Diselenide Nanosheet Arrays with Accelerated Adsorption Kinetics toward Overall Water Splitting
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105305
通 訊 作 者 簡 介
木士春 教授
武漢理工大學學科首席教授、博士生導師，主要從事質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、電化學產氫和碳納米材料等研究工作。作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際權威期刊上發表250余篇高質量學術論文，以第一發明人申請國家發明專利近100件，其中授權70余件。
第 一 作 者 介 紹
秦睿，碩士研究生在讀，2019年畢業于武漢理工大學材料化學專業，并加入武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室燃料電池課題組攻讀碩士學位，主要研究方向為HER/OER催化劑。
課 題 組 介 紹
本研究團隊致力于電化學能量轉換與儲存材料、器件及裝置的研究和開發，重點研究方向為質子交換膜燃電池催化材料和核心器件（膜電極等）、鋰離子電池電極材料、電解水制氫催化材料及納米碳催化材料等。