武汉理工大学木士春Nature子刊：酸性水氧化双连续RuO2纳米反应器！

第一作者：Ding Chen, Ruohan Yu, Kesong Yu, Ruihu Lu

通讯作者：木士春

通讯单位：武汉理工大学

论文速览

本文提出了一种由多尺度缺陷RuO2纳米单体（MD-RuO2-BN）组成的双连续纳米反应器，用于提高钌（Ru）基催化剂在酸性环境中的活性和稳定性，以期替代更昂贵的铱（Ir）基材料作为质子交换膜水电解器（PEMWEs）的阳极催化剂。通过三维断层扫描重建技术确认了这种独特的双连续纳米反应器结构，该结构提供了丰富的活性位点和通过腔体限制效应实现的快速传质能力。

此外，现有的空位和晶界赋予了MD-RuO2-BN丰富的低配位Ru原子和减弱的Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高价Ru的溶解。因此，在酸性介质中，MD-RuO2-BN实现了超高水氧化活性（196 mV @ 10 mA cm-2）和超低降解速率1.2 mV h-1。使用MD-RuO2-BN作为阳极的自制PEMWE也展现了高水分解性能（1.64 V @ 1 A cm-2）。

理论计算和原位拉曼光谱进一步揭示了MD-RuO2-BN的电子结构和水氧化过程的机制，合理化了通过多尺度缺陷和保护活性Ru位点的协同效应增强的性能。

图文导读

图1：MD-RuO2-BN的制备和催化过程，以及通过双球差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）观察到的催化剂微观结构。

图2：三维断层扫描重建技术展示了MD-RuO2-BN的形貌，揭示了由超细RuO2纳米单体和内部孔隙组成的独特的双连续纳米反应器结构。

图3：MD-RuO2-BN在原子尺度的观察，包括STEM图像、XPS光谱、EPR光谱、XANES和EXAFS光谱，以及通过小波变换（WT）验证的EXAFS光谱分析结果。

图4：MD-RuO2-BN的OER活性测试结果，包括极化曲线、Tafel曲线、Nyquist图和稳定性测试。

图5：通过DFT计算和原位拉曼光谱对MD-RuO2-BN增强活性和稳定性的机理分析。

总结展望

本文通过将具有丰富Ru/O空位和内外晶界的RuO2纳米单体组装成双连续纳米反应器，实现了RuO2的电子和微观结构的同步优化。Ru的氧化态降低和Ru-O键的延长减弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高价Ru的溶解，从而增强了RuO2的耐久性。

同时，丰富的反应区域和高效的低配位活性原子共同提高了催化活性。因此，定制的MD-RuO2-BN在三电极电池设置和质子交换膜水电解器（PEMWEs）中展现了无与伦比的OER活性和稳定性。此外，集成的氢-水循环电源系统的演示为Ru基材料的应用提供了更多机会。这项工作为提高无铱基OER催化剂的催化性能提供了见解，并将激发PEMWEs在大规模绿色H2生产中的发展。

文献信息

标题：Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48372-4