南京航空航天大学JACS：Lewis酸介导的界面水供给促进质子交换膜电解水
学术
2024-12-14 16:50
上海
催化剂-电解液界面在质子交换膜电解水器件（PEMWE）中起到关键的作用，但是改善界面氢键同时促进催化活性和稳定性仍然是个巨大挑战。有鉴于此，南京航空航天大学彭生杰教授等报道一种新颖的催化剂设计策略，这种催化剂设计策略基于硬-软酸-碱概念设计催化剂，将较硬的Lewis酸（ZrO2、TiO2、HfO2）调节界面氢键结构，增强RuO2的酸性OER催化活性。要点1. 机理研究结果表明，Lewis酸导致严格的氢键网络变成自由状态的水分子，增强界面水分子被RuO2表面捕获，连续的对催化活性位点提供水分子。相互连接的氢键网络促进质子快速输送，降低催化剂表面的酸性，阻碍催化剂的结构腐蚀，显著改善催化剂的长期稳定性。要点2. 通过水分子提供和脱质子的串联过程改变了传统Ru催化剂的水分子解离路径，并且展示了广泛应用的前景。ZrO2-RuO2催化剂的过电势显著降低至170 mV，而且具有优异的稳定性，在酸性OER电催化反应中，在10 mA cm-2电流密度连续1800 h稳定，而且在PEMWE器件中能够在2 A cm-2电流密度稳定工作100 h，性能超过了大多数Ru/Ir催化剂。Liming Deng, Hongjun Chen, Sung-Fu Hung, Ying Zhang, Hanzhi Yu, Han-Yi Chen, Linlin Li, and Shengjie Peng*, Lewis Acid-Mediated Interfacial Water Supply for Sustainable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c14529https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c14529
