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质子交换膜水电解（PEMWE）因其高效低耗的特点，被视为清洁氢能生产的有力方案。然而，在酸性条件下高效且稳定的催化剂一直是该领域的挑战。贵金属催化剂的高成本和酸性环境中的不稳定性限制了其广泛应用。此次研究创新性地提出一种在钛氧化物纳米管（TiO₂ NTs）上负载钴调控的钌（RuCo）催化剂，通过电子结构调控实现了出色的酸性全水分解性能和长时间稳定性。
成果简介
研究团队成功设计出一种Co改性的Ru纳米颗粒负载在TiO₂纳米管上的催化剂（RuCo/TiO₂ NTs），展现出卓越的酸性氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）双功能活性。该催化剂在10 mA cm⁻²的电流密度下OER过电位仅需156 mV，HER过电位仅需17 mV，并在酸性条件下展现出超过500小时的稳定性。
研究亮点
电子调控的RuCo催化剂：通过Co调控钌与TiO₂之间的金属载体相互作用，显著提升了催化剂的活性与稳定性。
增强的氢溢流现象：Co调控催化剂电子结构，促进氢在钌与TiO₂之间的溢流，加速HER反应动力学。
卓越的工业应用潜力：RuCo/TiO₂ NTs催化剂在酸性环境中展现出1000小时以上的稳定运行，为未来酸性全水分解设备的设计提供了有力支持。
配图精析
图1：展示了RuCo/TiO₂ NTs的合成和结构表征。(a) 合成示意图展示了钛酸锶纳米管的制备过程，以及钴修饰的钌纳米颗粒沉积。(b) XRD图谱显示了钛酸锶纳米管和RuCo/TiO₂ NTs的晶体结构特征。(c) 截面SEM图像展示了纳米管的形貌和分布。(d, e) TEM图像进一步揭示了钌和钴的均匀分布和无定形结构。(f, g) IFFT图像显示了界面键的强化作用。
图2：XPS和XANES分析了催化剂的电子结构变化。(a) 高分辨率XPS谱图显示了Ti 2p和Ru 3d的电子态，揭示了TiO₂对Ru电子富集的促进作用。(b) XANES谱图进一步验证了Ru的氧化态变化，确认了Co修饰对电子结构的调控效果。
图3：展示了不同催化剂在酸性电解质中的OER和HER性能。(a) LSV曲线表明，RuCo/TiO₂ NTs在低过电位下即表现出卓越的催化性能。(b) Tafel曲线展示了不同催化剂的反应动力学。(c, d) 长期电解稳定性测试结果显示，RuCo/TiO₂ NTs在长期运行中的性能显著优于Ru/TiO₂ NTs和商业催化剂。
图4：通过原位Raman和ATR-SEIRAS分析了催化剂的反应机理。(a) ATR-SEIRAS谱图显示了*OOH中间体的生成，表明催化剂倾向于通过吸附进化机制（AEM）进行OER。(b, c) 原位Raman光谱展示了HER和OER过程中不同催化剂的振动模式变化，进一步揭示了钴对电子结构的调控作用。
展望
该研究通过电子调控策略显著提升了钌基催化剂在酸性环境中的稳定性和活性，为未来大规模清洁氢气生产提供了可行路径。未来研究将进一步优化界面电子结构，提升其工业应用的潜力。
文献信息
期刊：Advanced Energy Materials
DOI：10.1002/aenm.202403067
原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202403067
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