​浙大AM: 独特缺电子Ru-RuO2界面，促进Ru/RuO2快速持久催化碱性HOR

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​浙大AM: 独特缺电子Ru-RuO2界面，促进Ru/RuO2快速持久催化碱性HOR
碱性膜燃料电池(AEMFCs)具有低成本和高理论能量密度等特点受到人们越来越多的关注。然而，在碱性介质中，阳极上的氢氧化反应(HOR)动力学缓慢(比在酸性介质中低两个数量级)，这限制了AEMFCs的进一步大规模商业应用。虽然基于铂的电催化剂对碱性HOR通常表现出高活性，但Pt的成本较高，不适合在AEMFCs中大规模使用。因此，寻找经济有效且稳定的无Pt碱性HOR电催化剂有利于推动AEMFCs的进一步发展。
基于此，浙江大学孙文平和潘洪革等设计并合成了由Ru和RuO2组成的Ru/RuO2平面内异质结构，其具有独特的Ru(100)/RuO2(200)界面，能够快速和持久的电催化碱性HOR。
​浙大AM: 独特缺电子Ru-RuO2界面，促进Ru/RuO2快速持久催化碱性HOR
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电化学性能测试结果显示，最优的Ru/RuO2-180在整个电位范围内具有最高的电流密度，表明其具有最高的电催化性能。在0.1 V时，Ru/RuO2-250的电流密度的急剧下降，这可能是由于Ru/RuO2-250中金属Ru物质的氧化引起的(导致活性金属Ru与氢键结合位点的消失，这是Ru基HOR电催化剂的典型现象)。
相比之下，Ru/RuO2-180在0~0.33 VRHE的电位范围内不会出现急剧的电流下降，表明Ru/RuO2-180中金属Ru物质的氧化受到抑制。此外，Ru/RuO2-180的耐久性显著增强，在连续运行4.2 h和8 h后，电流密度分别下降了8.5%和10%，优于Pt/C催化剂；Ru/RuO2-180在经过稳定性测试后的结构和组分并未发生明显变化，这进一步证明了Ru/RuO2-180平面内异质结构中丰富的Ru-RuO2封闭界面在防止Ru被氧化方面起着至关重要的作用。
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为了进一步阐明Ru/RuO2平面异质结构电催化剂优异电催化性能的根源，研究人员进行了密度泛函理论(DFT)计算。结果表明，Ru/RuO2中界面金属Ru原子周围的电子耗尽和O原子周围的积累，进一步验证了电子通过Ru/RuO2异质界面转移。此外，Ru/RuO2中Ru-RuO2界面的Ru和RuO2域分别是H和OH的最佳吸附位点：与纯Ru相比，异质界面上的金属Ru与Had的相互作用较弱，界面RuO2与OHad的相互作用强于纯RuO2，这大大提高了碱性HOR的反应动力学。
更重要的是，异质结构中的界面Ru与OH和O的相互作用也比纯Ru更弱，因此Ru/RuO2中的界面金属Ru比纯Ru具有更差的氧化性，这证实了独特的Ru-RuO2界面能够抑制金属Ru物种的氧化，这对于Ru/RuO2在HOR反应过程中的稳定性至关重要。综上，这项工作证明了建立具有对碱性HOR中间体吸附平衡的异质界面对于提高催化剂的反应活性和稳定性具有重要的意义。
Fast and Durable Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction at Electron-Deficient Ruthenium-Ruthenium Oxide Interface. Advanced Materials, 2022. DOI: 10.1002/adma.202208821

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