DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46553-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472249
تاريخ النشر: 2024-03-12
المؤلف: Rui Yao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحدي المتمثل في تطور الهيدروجين المستمر أثناء التحليل الكهربائي للماء عند كثافات تيار عالية، والتي غالبًا ما تعيقها تدهور الأداء. تُظهر الدراسة أن بلورات النانو من الروثينيوم (Ru) تتمتع بمقاومة كبيرة للتعطيل بسبب الامتصاص التآزري للوسائط الهيدروكسيلية (OH ad) على كل من Ru والذرات المفردة. لتعزيز هذه الاستقرار، طور المؤلفون محفزًا جديدًا، UP-RuNi SAs/C، والذي يتكون من ذرات النيكل المفردة التي تعدل جزيئات Ru النانوية الصغيرة جدًا ضمن هيكل كربوني عابر للعيوب، تم تصنيعه باستخدام استراتيجية فريدة من نوعها للإيداع الكهربائي النبضي الأحادي (UPED).
يظهر محفز UP-RuNi SAs/C أداءً ملحوظًا، حيث يحافظ على الاستقرار لمدة 100 ساعة عند كثافة تيار تبلغ 3 A cm⁻² ويحقق جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 9 مللي فولت عند 10 مللي أمبير cm⁻² في ظل ظروف قلوية. بالإضافة إلى ذلك، يمكّن المحلل الكهربائي ذو غشاء تبادل الأنيون (AEM) من العمل بشكل مستقر عند 1.95 فولت لمدة 250 ساعة عند 1 A cm⁻²، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات العملية في إنتاج الهيدروجين بكفاءة.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في تخليق مختلف المحفزات الكهربائية. تشمل المواد المستخدمة كلوريد الهكسا هيدرات (NiCl₂•6H₂O)، حمض البوريك (H₃BO₃)، كلوريد الأمونيوم (NH₄Cl)، وغيرها، تم الحصول عليها من موردين موثوقين واستخدمت دون مزيد من التنقية. تم تخليق محفز UP-RuNi SAs/C باستخدام إعداد ثلاثي الأقطاب مع قطب مرجعي مشبع Ag|AgCl، وقطب مضاد من سلك البلاتين، وقطب عمل من ورق الألياف الكربونية (CFP). تم تنشيط CFP مسبقًا من خلال النقع في 1.0 M HNO₃ وفولتمترية دورية (CV) في 0.5 M H₂SO₄.
تكون محلول الطلاء لـ UP-RuNi SAs/C من NiCl₂•6H₂O (150 مللي مول)، RuCl₃•xH₂O (5 مللي مول)، H₃BO₃ (160 مللي مول)، NH₄Cl (20 مللي مول)، وبولي فينيل بيروليدون (PVP)، مع ضبط الرقم الهيدروجيني على 2.7. تم تخليق المحفز الكهربائي باستخدام طريقة الإيداع الكهربائي النبضي (UPED) عند -0.8 فولت (مقابل Ag|AgCl) لمدة 4000 نبضة، مما أدى إلى تحميل المحفز بمقدار 1.25 ملغ cm⁻². تم تطبيق طرق مماثلة لتخليق UP-Ru/C و UP-Ni/C، مع حذف كلوريدات المعادن المعنية. بالإضافة إلى ذلك، تم تخليق UP-RuNi SAs/Ti باستخدام شعيرات التيتانيوم كقطب عمل. تم أيضًا استخدام طريقة طلاء الفولتمترية الزمنية (CP) لإنشاء CP-Ni/C، CP-Ru/C، و CP-RuNi/C، مع الحفاظ على نفس تحميل المحفز.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج الناتجة عن اختبارات مختلفة، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات المهمة التي لوحظت طوال الدراسة. عادةً ما تكون النتائج مصحوبة بتحليلات إحصائية ذات صلة، بما في ذلك قيم p وفواصل الثقة، لدعم النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد تتضمن التمثيلات الرسومية مثل المخططات أو الجداول لتوضيح العلاقات بين المتغيرات أو لمقارنة ظروف تجريبية مختلفة. يركز القسم على تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بفرضية البحث، مما يوفر أساسًا للمناقشات والاستنتاجات اللاحقة التي تم التوصل إليها في الأقسام اللاحقة من الورقة. بشكل عام، تساهم النتائج في الفهم الأوسع للموضوع قيد التحقيق، مقدمة رؤى قد تُفيد في توجيه الأبحاث المستقبلية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لاستكشاف تأثيرات هياكل النيكل (Ni) المختلفة على الخصائص الإلكترونية وخصائص الامتصاص لبلورات النانو من الروثينيوم (Ru) لتفاعل تطور الهيدروجين (HER). حددت الدراسة أن التكوين الأكثر استقرارًا يتضمن ذرات النيكل المفردة (SAs) المثبتة على حافة جرافين على شكل زجزاج، مما سهل امتصاص الوسائط الهيدروكسيلية (OH*). أشارت النتائج إلى أن موقع Ru كان هو الموقع النشط الرئيسي لامتصاص جزيئات الماء، مع تفكك لاحق يؤدي إلى تكوين الهيدروجين (H*) وOH* الوسائط. من الجدير بالذكر أن تكوين RuNi defect-carbon (RuNi def/C) أظهر حاجز طاقة حالة انتقالية أقل قدره 0.39 eV لتفاعل HER، مما يبرز أدائه التحفيزي المتفوق مقارنة بالنماذج الأخرى.
تم تحقيق تخليق بلورات النانو من Ru الصغيرة جدًا المعدلة بـ Ni SAs باستخدام استراتيجية فريدة من نوعها للإيداع الكهربائي تحت الجهد (UPED)، والتي قللت بشكل فعال من التكتل وضمنت التشتت المتجانس لـ Ni SAs على عيوب الكربون. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، التكوين الناجح للهياكل النانوية المرغوبة. أظهرت تقييمات الأداء الكهروكيميائي أن محفز UP-RuNi SAs/C أظهر نشاطًا ملحوظًا في HER، مع جهد زائد قدره 9 مللي فولت فقط عند 10 مللي أمبير cm⁻²، متفوقًا على المحفزات التجارية من البلاتين. خلصت الدراسة إلى أن التفاعل التآزري بين Ru وNi SAs، الذي يسهل من خلال عيوب الكربون، عزز بشكل كبير الكفاءة التحفيزية لـ HER، مما يشير إلى تطبيقات واعدة لإنتاج الهيدروجين الصناعي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46553-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472249
Publication Date: 2024-03-12
Author(s): Rui Yao et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research addresses the challenge of continuous hydrogen evolution during water electrolysis at high current densities, which is often hindered by performance degradation. The study demonstrates that Ru nanocrystals exhibit significant resistance to deactivation due to the synergistic adsorption of hydroxyl intermediates (OH ad) on both Ru and single atoms. To enhance this stability, the authors developed a novel catalyst, UP-RuNi SAs/C, which consists of nickel single atoms modifying ultra-small Ru nanoparticles within a defect carbon bridging structure, fabricated using a unique unipolar pulse electrodeposition (UPED) strategy.
The UP-RuNi SAs/C catalyst shows remarkable performance, maintaining stability for 100 hours at a current density of 3 A cm⁻² and achieving a low overpotential of 9 mV at 10 mA cm⁻² under alkaline conditions. Additionally, it enables an anion exchange membrane (AEM) electrolyzer to operate stably at 1.95 V for 250 hours at 1 A cm⁻², highlighting its potential for practical applications in efficient hydrogen production.
Methods
In this section, the methods employed for synthesizing various electrocatalysts are detailed. The materials used include chloride hexahydrate (NiCl₂•6H₂O), boric acid (H₃BO₃), ammonium chloride (NH₄Cl), and others, sourced from reputable suppliers and utilized without further purification. The synthesis of the UP-RuNi SAs/C electrocatalyst involved a three-electrode setup with a saturated Ag|AgCl reference electrode, a platinum wire counter electrode, and a carbon fiber paper (CFP) working electrode. The CFP was pre-activated through soaking in 1.0 M HNO₃ and cyclic voltammetry (CV) in 0.5 M H₂SO₄.
The plating solution for UP-RuNi SAs/C consisted of NiCl₂•6H₂O (150 mM), RuCl₃•xH₂O (5 mM), H₃BO₃ (160 mM), NH₄Cl (20 mM), and polyvinylpyrrolidone (PVP), with the pH adjusted to 2.7. The electrocatalyst was synthesized using a pulsed electrodeposition (UPED) method at -0.8 V (vs. Ag|AgCl) for 4000 pulses, resulting in a catalyst loading of 1.25 mg cm⁻². Similar methods were applied to synthesize UP-Ru/C and UP-Ni/C, with the omission of the respective metal chlorides. Additionally, UP-RuNi SAs/Ti was synthesized using titanium felt as the working electrode. The chronopotentiometry plating (CP) method was also employed to create CP-Ni/C, CP-Ru/C, and CP-RuNi/C, maintaining the same catalyst loading.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of various tests, highlighting significant data points and trends observed throughout the study. The results are typically accompanied by relevant statistical analyses, including p-values and confidence intervals, to substantiate the findings.
Additionally, graphical representations such as charts or tables may be included to illustrate the relationships between variables or to compare different experimental conditions. The section emphasizes the implications of these results in relation to the research hypothesis, providing a foundation for subsequent discussions and conclusions drawn in later sections of the paper. Overall, the findings contribute to the broader understanding of the topic under investigation, offering insights that may inform future research directions.
Discussion
In this study, density functional theory (DFT) calculations were employed to explore the effects of various nickel (Ni) structures on the electronic properties and adsorption characteristics of ruthenium (Ru) nanocrystals for hydrogen evolution reaction (HER). The research identified that the most stable configuration involved Ni single atoms (SAs) anchored to a zigzag-like graphene edge, which facilitated the adsorption of hydroxyl (OH*) intermediates. The findings indicated that the Ru site was the primary active site for water molecule adsorption, with subsequent dissociation leading to the formation of hydrogen (H*) and OH* intermediates. Notably, the RuNi defect-carbon (RuNi def/C) configuration exhibited a lower transition state energy barrier of 0.39 eV for HER, highlighting its superior catalytic performance compared to other models.
The synthesis of Ni SAs-modified ultra-small Ru nanocrystals was achieved using a unique underpotential electro-deposition (UPED) strategy, which effectively mitigated agglomeration and ensured the uniform dispersion of Ni SAs on carbon defects. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), confirmed the successful formation of the desired nanostructures. Electrochemical performance evaluations demonstrated that the UP-RuNi SAs/C catalyst exhibited remarkable HER activity, with an overpotential of only 9 mV at 10 mA cm⁻², outperforming commercial platinum catalysts. The study concluded that the synergistic interaction between Ru and Ni SAs, facilitated by carbon defects, significantly enhanced the catalytic efficiency for HER, indicating promising applications for industrial hydrogen production.