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研究背景
析氧反应(OER)作为电解水的的关键步骤,具有至关重要的意义。相比于碱性条件,酸性条件下OER具有明显的优势,然而,酸性OER在实际应用中面临催化剂稳定性不理想、反应动力学缓慢、贵金属使用过多等挑战。单贵金属原子具有提高贵金属利用率和催化性能的优势,并且钴氧化物(例如Co3O4)可作为其耐腐蚀性载体。然而,钴氧化物在高电流密度或高电位时的抗腐蚀性能和稳定性能较差,阻碍了钴氧化物的实际应用。
成果简介
鉴于此,阿卜杜拉国王科技大学张华彬、Luigi Cavallo(共同通讯作者)等人将原子尺寸大于Co的Ru单原子嵌入Co3O4晶格(Ru-Co3O4)中,引发了Co-O晶格的局域压缩应变和晶格畸变,显著提高了Co3O4载体的耐腐蚀性能。Ru-Co3O4在电流密度为30 mA cm−2下运行400小时后,其电势损失可以忽略不计。相关成果以“Local compressive strain-induced anticorrosion over isolated Ru-decorated Co3O4 for efficient acidic oxygen evolution”为题发表在Nature Communications上。
图文介绍
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图1 结构表征。
Ru-Co3O4催化剂的制备步骤如图1a所示。首先采用ZIF-67纳米立方体(NCs)作为模板,然后使用单宁酸进行化学蚀刻,再通过阳离子交换法进行单原子负载,最后采用焙烧工艺得到了结晶度良好的空心Ru-Co3O4纳米盒催化剂。广角X射线散射(WAXS)显示,掺入Ru单原子后Co3O4仍保留尖晶石晶体结构(图1b)。透射电子显微镜(TEM)图像显示Ru-Co3O4为壁厚10 nm的纳米盒中空结构(图1c)。高分辨率透射电镜(HRTEM)显示出归属于Co3O4的(220)面的晶格条纹,证实Ru-Co3O4结晶度显著(图1d)。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)元素映射显示各元素在空心纳米盒结构中均匀分布(图1e)。HAADF-STEM图像、3D原子重叠高斯函数拟合映射和强度剖面都显示Ru以单原子形式锚定在Co3O4中(图1f-h)。
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图2 非原位XAFS表征。
作者采用X射线吸收精细结构(XAFS)对Ru-Co3O4结构进行了探究。Ru K边EXAFS光谱的傅里叶变换(FT)显示,Ru-Co3O4在1.5 Å和2.5 Å处存在两个峰,分别归属于Ru-O和Ru-O-Ru/Co配位(图2a),证实了Ru-Co3O4中没有形成钌纳米团簇或纳米颗粒。Ru-Co3O4催化剂中的Ru-O峰的位置略高于RuO2样品,表明Ru单原子修饰破坏了Co3O4结构的对称性,造成Ru-O键长度发生变化和晶格畸变
X射线吸收近边结构(XANES)光谱显示,Ru-Co3O4中Ru的价态为+3.7,低于RuO2中的价态(图2b)。EXAFS信号的小波变换显示,Ru箔中仅在9.0 Å−1处观察到单个最大峰值,表明存在Ru-Ru相互作用。对于RuO2,检测到两个分别位于4.3 Å−1和9.0 Å−1的最大峰值,分别对应于Ru-O和Ru-O-Ru结构。对于Ru-Co3O4样品,分别在4.3 Å−1和6.8 Å−1存在两个主要的峰值,分别代表Ru-O和Ru-O-Co结构,而不存在Ru-O-Ru桥联结构,表明没有局部聚集的RuO2团簇结构,仅存在Ru单原子。定量EXAFS拟合结果显示,Ru-O配位数为6.2(图2d),说明Ru-Co3O4中的Ru占据了八面体(Oh)位点而不是四面体(Td)位点,并与Co3O4的晶格氧配位。
为了研究Ru-Co3O4的原子结构,作者采用CoTdRuOhCoOhO4和CoTdRuTdCoOhO4模型进行了K边XANES从头算模拟。具有Ru-O-Cooh结构的CoTdRuOhCoOhO4模型的模拟XANES光谱在特征a、b、c和d的能量位置和光谱强度方面与实验数据非常匹配,说明Ru-Co3O4中的Ru占据八面体(Oh)位点(图2e)。在O-K边XANES中,O2p-Co3d杂化态(峰a)明显降低,表明由于Ru单原子修饰O上的电子密度增加。Co K边EXAFS光谱的傅里叶变换谱显示,Co3O4和Ru-Co3O4催化剂表现出相似的峰特征(图2g)。相对于Co3O4,Ru-Co3O4中Co-O配位峰由1.52 Å移动到1.49 Å,表明Ru-Co3O4中Co-O键发生2%的局部压缩应变EXAFS拟合的键长分析结果进一步证实了Co-O键发生局部压缩应变(图2h,i)。
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图3 电催化性能。
团队采用三电极体系在0.1 M HClO4溶液中分析了不同催化剂的OER性能。线性扫描伏安(LSV)曲线表明,Ru-Co3O4(Ru载量:4.49 wt%)在电流密度为10 mA cm−2下的过电位最低,仅为252 mV(图3a,b)。
此外,Ru-Co3O4(4.49 wt%)的Tafel斜率最低,为62.4 mV dec−1,电化学阻抗谱(EIS)测定的电荷转移电阻最小,双电层电容(Cdl)测定的电化学活性表面积(ECSA)最高(图3c-e)。采用ECSA归一化的LSV曲线证实了Ru-Co3O4(4.49 wt%)催化剂具有最高的本征OER活性(图3f)。
作者计算的催化剂的转换频率(TOF)结果显示,与单原子结构的Ru-Co3O4催化剂相比,Ru-Co3O4催化剂(7.06 wt%)和Ru-Co3O4催化剂(8.67 wt%)的TOF值显著降低,表明单原子Ru位点对OER有积极的催化作用。当Ru-Co3O4(4.49 wt%)在10 mA cm-2和30 mA cm-2的电流密度下工作超过400小时,可保持忽略不计的电位损失(图3h)。
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图4 原位XAFS表征。
团队采用原位同步加速器XAFS技术探究了Co3O4和Ru-Co3O4催化剂的配位结构变化。原位XANES结果显示,Co3O4催化剂中Co的价态随着施加电位的增加而略有增加(图4a)。原位EXAFS分析显示,在施加1.63 V电位时,Co3O4中CoTd-Co峰强度明显下降,CoOh-CoOh峰强度变化较小(图4b)。定量EXAFS拟合分析显示,Co3O4中CoTd-Co的配位数从开路电位(OCP)时的7.3逐渐下降到1.63 V时的6.3(图4c)。上述数据表明OER工作电位下Co3O4的结构不稳定性是由在四面体位置上的Co原子优先溶解造成的。
对于Ru-Co3O4催化剂,原位XANES分析显示Co的氧化态随电化学电位的变化可以忽略不计(图4d)。原位EXAFS和定量分析显示Ru-Co3O4催化剂中Co的配位环境随电位的变化很小(图4e,f),表明Ru-Co3O4在OER条件下具有优异的结构稳定性。原位Ru K边EXAFS显示,OCP时Ru-O峰位于1.52 Å,当电位为1.03 V时该峰负移至1.49 Å,电位逐渐增加到1.63 V过程中保持不变(图4g)。定量EXAFS证实了Ru-O键被压缩,键能增加可以抵抗Ru-O键的溶解(图4i)。
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图5 Ru-Co3O4酸性OER过程溶解动力学研究及局部应变诱导稳定性增强机理。
作者对反应过程中溶解的金属元素进行了溶解动力学分析。Co3O4电催化性能的快速下降是由于Co元素的快速和连续溶解导致结构破坏引起的(图5a)。而Ru-Co3O4中的Co元素在最初的1小时内溶解较快,随后其溶解程度很小。除此之外,Ru元素在Ru-Co3O4催化剂中的溶解也受到抑制(图5b)。当Ru单原子加入到Co3O4晶格中,Co-O键上产生局部压缩应变,引起局部结构改变(图5c),这有效地抑制了Ru和Co在Ru-Co3O4催化剂中的溶解(图5d)。
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图6 AIMD仿真与DFT计算。
团队采用AIMD模拟探究了Co元素在Ru-Co3O4结构中的溶解动力学。Co中心的配位结构用与水分子中可溶氧原子(CNW)和晶格中表面氧原子(CNL)的配位数(CNW,CNL)来描述。Ru-Co3O4和Co3O4的结构优化都得到了稳定的(2,3)态,表明Co中心与2个可溶氧原子和3个晶格氧原子(OL)配位(图6a-d)。自由能图谱显示,Ru-Co3O4倾向于脱水形成(1,3)态,其能量势垒低,仅47.1 kJ mol-1,而不倾向Co-OL解离形成(2,2)态(88.3 kJ mol-1),这有效地减缓了Co的溶解(图6a,b)。对于Co3O4,倾向与水分子配合形成(3,3)结构,(3,3)状态随后经历连续的Co-O键解离,最终达到(3,0)状态,表明Co物种从氧化物结构溶解到电解质中,导致材料结构不稳定(图6c, d)。
团队还进行了DFT计算以探究Ru-Co3O4催化剂的活性和稳定性提高的机理。Co-O键长分析显示,Ru-Co3O4催化剂的Co-O键长平均为1.90 Å,而Co3O4结构的Co-O键长平均为1.92 Å,说明Ru-Co3O4中明显存在局部压缩应变(图6e,f)。OER的自由能示意图显示,Ru-Co3O4和Co3O4催化剂的决速步骤都是O*到OOH*的转化。在Ru-Co3O4中,Ru位点的理论OER电位(0.76 V)低于Co位点(0.82 V),表明Ru位点本质上更有催化活性(图6g,h)。与Co3O4中的Co位点(0.87 V)相比,Ru-Co3O4中的Co位点显示出较低的OER过电位(0.82 V),表明Ru在Co3O4晶格中的加入可以激活相邻的Co位点,从而有效地催化OER。巴德电荷分析显示,与Co3O4相比,Ru-Co3O4中Co向O的转移更多电子,表明Co-O键结合更强,结构稳定性增强(图6i)。态密度(DOS)计算显示,Ru-Co3O4中O-p轨道和Co-d轨道之间的重叠增加,进一步证实了Co-O键的增强(图6j)。
文献信息
Local compressive strain-induced anticorrosion over isolated Ru-decorated Co3O4 for efficient acidic oxygen evolution.(Nature Communications, 2024.

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