独特“协同效应”助力氧化物超高效电催化产氢

氢能具有高效、清洁环保、可以存储与运输等特点，被认为是21世纪最有应用前景的新能源之一。电催化分解水是一种高效、环境友好型的制氢技术，越来越受到人们的重视。电催化析氢（Hydrogen Evolution Reaction, HER）反应是电解水制氢的关键步骤，因此开发高效的电催化剂来降低HER反应的电位，从而减少能量损耗，一直是电催化领域的研究热点。传统的贵金属催化剂（如Pt/C）可以高效催化HER，但是价格高、储量低、稳定性差的缺点限制了其大规模的应用。过渡金属氧化物储量丰富，表现出很好的OER应用潜力，但通常HER活性很低。因此开发高活性且稳定的氧化物型HER催化剂是一个具有挑战性的课题。

图1. Sr₂RuO₄氧化物碱性条件下协同催化示意图

鉴于此，南京工业大学的邵宗平（点击查看介绍）和周嵬（点击查看介绍）教授研究团队报道了一种Ruddlesden-Popper (RP)类型的层状结构氧化物Sr₂RuO₄，在碱性条件下表现出优异的HER催化性能（图1）。电化学性能测试表明，在1 M的KOH溶液中，用固相法制备的块体Sr₂RuO₄氧化物在电流密度10 mA•cm^-2时相应的过电位只需要61 mV，Tafel斜率仅为51 mV•dec^-1，优于目前文献已报道的大多数非铂基HER催化剂（图2）。与简单氧化物RuO₂和钙钛矿氧化物SrRuO₃相比，在Ru含量降低的情形下HER活性得到大幅度提高，达到了同时降低成本和提高活性的双重有益效果。进一步的密度泛函理论（DFT）计算证明了独特的层间协同效应是Sr₂RuO₄优异HER催化活性的主要原因：岩盐层中暴露的（001）SrO表面无障碍解离吸附的水分子，同时钙钛矿层中的顶端氧离子促进H*中间体的最佳吸附和解离（图3）。此外，Sr₂RuO₄的HER活性可以通过电化学活化处理进一步提高。以上结果表明调控氧化物的晶体结构可以有效提高电催化活性，为设计高性能的电催化剂提供了新的研究思路。

图2. 电催化测试结果

图3. DFT计算结果

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是朱印龙博士。

该论文作者为：Yinlong Zhu, Hassan A. Tahini, Zhiwei Hu, Jie Dai, Yubo Chen, Hainan Sun, Wei Zhou, Meilin Liu, Sean C. Smith, Huanting Wang & Zongping Shao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Unusual synergistic effect in layered Ruddlesden−Popper oxide enables ultrafast hydrogen evolution

Nat. Commun., 2019, 10, 149, DOI: 10.1038/s41467-018-08117-6

导师介绍

邵宗平

https://www.x-mol.com/university/faculty/11637

周嵬

https://www.x-mol.com/university/faculty/27625