نانوروافع ثنائي الاستمرارية RuO2 لأكسدة الماء الحمضي

النتائج

التصميم الهيكلي والتوصيف

بالإضافة إلى ذلك، لإظهار دور المحاليل اليوتيكتية في إنشاء النانو رياكتور ذو الهيكل الثنائي المستمر الفريد وتحليل آلية التكوين بشكل أعمق، قمنا بإجراء تجربة ضابطة باستخدام KCl بدلاً من نظام يوتيكتك تحت نفس الظروف ، الشكل S14). بسبب نقطة الانصهار الأعلى لـ KCl من درجة حرارة التخليق ( نظام التفاعل

الشكل 1 | بناء وتوصيف هيكل المحفزات. أ رسم تخطيطي لعملية تصنيع وإجراء التحفيز لـ MD-RuO -BN. ب، ج صور STEM لـ MD-RuO -BN. إدراج: تحليل EELS لبلورة مفردة. خريطة STEM و

التوزيع العنصري المقابل لـ . أنماط XRD لـ MD- بي إن و مخطط إيزوثيرم الامتزاز-التحرر وتوزيع حجم المسام لـ و .

الهياكل الإلكترونية الذرية والمحلية

قمنا أيضًا بإجراء ملاحظات متعمقة على MD-RuO -BN على المقياس الذري. تكشف صور STEM (الأشكال 3a و S21) أن بعض مواقع الشبكة مشوشة أو حتى مفقودة (محددة بدائرة زرقاء)، مما يشير إلى وجود عيوب فراغية في الروثينيوم. )، وهو مزيد من

تقييم الأداء الكهروكيميائي

قمنا أولاً باختبار نشاط OER لـ MD-RuO -BN في ( 0.47، الشكل S24) مع نظام ثلاثي الأقطاب. كما هو موضح في الشكل 4a، من منحنيات الاستقطاب، يظهر جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 196 لـ -BN مقارنةً مع ذلك من ) و ، مما يشير إلى أن النشاط الأعلى يمكن تحقيقه من خلال التصميم الهيكلي وهندسة العيوب لـ نانورياكتورات. علاوة على ذلك، يمكننا أن نجد أن MD- يمتلك BN ميل تافل أقل (الشكل 4b)، ومقاومة نقل شحنة أصغر (الشكل 4c) ومساحة سطح نشطة كهربائياً أعلى (الشكل S25) خلال عمليات OER. في الوقت نفسه، فإن تحسين الحبوب، وتشكيل الهياكل ثنائية الاستمرارية، وتوليد عيوب متنوعة يزيد من طاقة السطح. -BN (الشكل S26) وتحديد التوجه القوي للماء ، مما أدى إلى انخفاض زاوية تماس الفقاعات بشكل واضح لـ MD- مقارنة مع كما هو موضح في الشكل S27. بالإضافة إلى ذلك، يتم تسريع نقل الكتلة بسبب زيادة المحبة للماء على السطح وتحسين الهيكل الإلكتروني معًا. . وبالتالي، فإن الجهد الزائد المنخفض لتفاعل الأكسدة هو يمكن أن يُعزى ذلك إلى زيادة عدد المواقع النشطة الفعالة، والنشاط الجوهري، وقدرة نقل الكتلة.

تظهر قياسات التدهور المعجل تحولًا طفيفًا في منحنيات الاستقطاب لـ -BN قبل وبعد 1000 دورة في عملية OER (الشكل S28). علاوة على ذلك، بعد 24 ساعة من التشغيل المستمر، يظهر قياس الجهد الثابت للتيار (الشكل 4d) زيادة في جهد OER بمقدار 0.029 فولت فقط (معدل التدهور لـ )، مما يشير إلى استقرار OER الأعلى لـ MD- -BN من
ذلك من و (تدهور سريع). سلسلة من التوصيفات بعد اختبار المتانة بما في ذلك XRD و XPS و STEM تؤكد استقرار الطور والبنية لـ MD- في عمليات OER الحمضية (الأشكال S29 و30). علاوة على ذلك، تم قياس تركيز أيونات Ru في المحلول الكهربائي باستخدام مطيافية الانبعاث الضوئي البلازمي المقترن بالحث (ICP-OES). ونسبة Ru المذاب من و خلال OER هو و على التوالي، بينما هو فقط لـ دراسات ICP-OES بانتظام

تحليل آلية النشاط المعزز والاستقرار

نقاش

طرق

المواد الكيميائية

تركيبات المواد

توصيف

تم جمع أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) على جهاز حيود الأشعة السينية من نوع ريجاكو مزود بـ مصدر الإشعاع للحصول على التركيب البلوري لجميع العينات. تم قياس منحنيات امتصاص/إزالة النيتروجين على جهاز ASAP2020M للحصول على مساحة السطح وفقًا لطريقة بروناور-إيميت-تيلر (BET) وقطر المسام وفقًا لطريقة بارّيت-جويتر-هاليندا. تم إجراء مطيافية الأشعة السينية للأشعة السطحية (XPS) ورنين الإلكترون البارامغناطيسي (EPR) ومطيافية امتصاص الأشعة السينية باستخدام إشعاع السنكروترون (XAS) للكشف عن التركيب الإلكتروني وتركيب الروابط التكافؤية. الشكل والمظهر و

القياسات الكهروكيميائية

اختبارات PEMWE

حسابات DFT

توفر البيانات

References

1. Chatenet, M. et al. Water electrolysis: from textbook knowledge to the latest scientific strategies and industrial developments. Chem. Soc. Rev. 51, 4583-4762 (2022).
2. King, L. A. et al. A non-precious metal hydrogen catalyst in a commercial polymer electrolyte membrane electrolyser. Nat. Nanotechnol. 14, 1071-1074 (2019).
3. Yeo, K.-R., Lee, K.-S., Kim, H., Lee, J. & Kim, S.-K. A highly active and stable 3D dandelion spore-structured self-supporting Ir-based electrocatalyst for proton exchange membrane water electrolysis fabricated using structural reconstruction. Energy Environ. Sci. 15, 3449-3461 (2022).
4. An, L. et al. Recent development of oxygen evolution electrocatalysts in acidic environment. Adv. Mater. 33, 2006328 (2021).
5. Seh, Z. W. et al. Combining theory and experiment in electrocatalysis: insights into materials design. Science 355, eaad4998 (2017).
6. Kibsgaard, J. & Chorkendorff, I. Considerations for the scaling-up of water splitting catalysts. Nat. Energy 4, 430-433 (2019).
7. Li, L., Wang, P., Shao, Q. & Huang, X. Recent progress in advanced electrocatalyst design for acidic oxygen evolution reaction. Adv. Mater. 33, 2004243 (2021).
8. Xiao, Z. et al. Operando identification of the dynamic behavior of oxygen vacancy-rich Co3O4 for oxygen evolution reaction. J. Am. Chem. Soc. 142, 12087-12095 (2020).
9. Liu, Z. et al. Optimal geometrical configuration of cobalt cations in spinel oxides to promote oxygen evolution reaction. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 4736-4742 (2020).
10. Wang, Q. et al. Ultrahigh-loading of Ir single atoms on NiO matrix to dramatically enhance oxygen evolution reaction. J. Am. Chem. Soc. 142, 7425-7433 (2020).
11. Ma, Q. & Mu, S. Acidic oxygen evolution reaction: mechanism, catalyst classification, and enhancement strategies. Interdiscip. Mater. 2, 53-90 (2023).
12. Spöri, C., Kwan, J. T. H., Bonakdarpour, A., Wilkinson, D. P. & Strasser, P . The stability challenges of oxygen evolving catalysts: towards a common fundamental understanding and mitigation of catalyst degradation. Angew. Chem. Int. Ed. 56, 5994-6021 (2017).
13. Chen, F.-Y., Wu, Z.-Y., Adler, Z. & Wang, H. Stability challenges of electrocatalytic oxygen evolution reaction: from mechanistic understanding to reactor design. Joule 5, 1704-1731 (2021).
14. Geiger, S. et al. The stability number as a metric for electrocatalyst stability benchmarking. Nat. Catal. 1, 508-515 (2018).
15. Wang, J. et al. Single-site Pt-doped hollow nanospheres with interstitial C for high-performance acidic overall water splitting. Sci. Adv. 8, eabl9271 (2022).
16. Huang, H. et al. Structure engineering defective and mass transferenhanced RuO2 nanosheets for proton exchange membrane water electrolyzer. Nano Energy 88, 106276 (2021).
17. Over, H. Surface chemistry of ruthenium dioxide in heterogeneous catalysis and electrocatalysis: from fundamental to applied research. Chem. Rev. 112, 3356-3426 (2012).
18. Zhang, L. et al. Sodium-decorated amorphous/crystalline with rich oxygen vacancies: a robust pH -universal oxygen evolution electrocatalyst. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 18821-18829 (2021).
19. Wang, J. et al. Exceptionally active and stable with interstitial carbon for water oxidation in acid. Chem 8, 1673-1687 (2022).
20. Qin, Y. et al. electronic structure and lattice strain dual engineering for enhanced acidic oxygen evolution reaction performance. Nat. Commun. 13, 3784 (2022).
21. Du, K. et al. Interface engineering breaks both stability and activity limits of for sustainable water oxidation. Nat. Commun. 13, 5448 (2022).
22. Su, J. et al. Assembling ultrasmall copper-doped ruthenium oxide nanocrystals into hollow porous polyhedra: highly robust electrocatalysts for oxygen evolution in acidic media. Adv. Mater. 30, 1801351 (2018).
23. Chen, S. et al. Mn-doped nanocrystals as highly active electrocatalysts for enhanced oxygen evolution in acidic media. ACS Catal. 10, 1152-1160 (2020).
24. Zhuang, Z. et al. Three-dimensional open nano-netcage electrocatalysts for efficient pH-universal overall water splitting. Nat. Commun. 10, 4875 (2019).
25. Lin, Y. et al. Chromium-ruthenium oxide solid solution electrocatalyst for highly efficient oxygen evolution reaction in acidic media. Nat. Commun. 10, 162 (2019).
26. Shan, J., Ling, T., Davey, K., Zheng, Y. & Qiao, S.-Z. Transition-metaldoped Rulr bifunctional nanocrystals for overall water splitting in acidic environments. Adv. Mater. 31, 1900510 (2019).
27. Ge, R. et al. Ultrafine defective electrocatalyst integrated on carbon cloth for robust water oxidation in acidic media. Adv. Energy Mater. 9, 1901313 (2019).
28. . et al. 2 D intrinsically defective graphene heterostructures as All-pH efficient oxygen evolving electrocatalysts with unprecedented activity. Nano Energy 78, 105185 (2020).
29. Zhao, Z. L. et al. Boosting the oxygen evolution reaction using defect-rich ultra-thin ruthenium oxide nanosheets in acidic media. Energy Environ. Sci. 13, 5143-5151 (2020).
30. Wen, Y. et al. Stabilizing highly active Ru sites by suppressing lattice oxygen participation in acidic water oxidation. J. Am. Chem. Soc. 143, 6482-6490 (2021).
31. Jin, H. et al. Safeguarding the phase against lattice oxygen oxidation during acidic water electrooxidation. Energy Environ. Sci. 15, 1119-1130 (2022).
32. Ma, Y. et al. Remodeling nanodroplets into hierarchical mesoporous silica nanoreactors with multiple chambers. Nat. Commun. 13, 6136 (2022).
33. Li, Y. et al. Hierarchical C-MoCSx@MoS, nanoreactor as a chainmail catalyst for seawater splitting. Appl. Catal., B 318, 121832 (2022).
34. Gong, F. et al. Boosting electrochemical oxygen evolution over yolk-shell structured nanoreactors with sulfur vacancy and decorated Pt nanoparticles. Nano Energy 78, 105284 (2020).
35. Cheng, R. et al. Fibrous nanoreactors from microfluidic blow spinning for mass production of highly stable ligand-free perovskite quantum dots. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202204371 (2022).
36. Chen, D. et al. Work-function-induced interfacial built-in electric fields in heterostructures for active acidic and alkaline hydrogen evolution. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202208642 (2022).
37. Liang, X. et al. The directional crystallization process of poly (triazine imide) single crystals in molten salts. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202216434 (2023).
38. Jin, H. et al. Molten salt-directed catalytic synthesis of 2D layered transition-metal nitrides for efficient hydrogen evolution. Chem 6, 2382-2394 (2020).
39. Yi, L. et al. Molten-salt-assisted synthesis of Bismuth nanosheets for long-term continuous electrocatalytic conversion of to formate. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 20112-20119 (2020).
40. Wu, J. et al. Scalable synthesis of 2D Mo2 C and thicknessdependent hydrogen evolution on its basal plane and edges. Adv. Mater. 35, 2209954 (2023).
41. Wang, Q. et al. Sub-3 nm intermetallic ordered clusters for oxygen reduction reaction. Adv. Sci. 7, 1901279 (2020).
42. Jiao, J. et al. Doping ruthenium into metal matrix for promoted universal hydrogen evolution. Adv. Sci. 9, 2200010 (2022).
43. Jiao, J. et al. Interface engineering of partially phosphidated Co@Co-P@NPCNTs for highly enhanced electrochemical overall water splitting. Small 16, 2002124 (2020).
44. Bai, C. et al. Hollow Cu2O@CoMn2O4 nanoreactors for electrochemical NO reduction to NH3: elucidating the void-confinement effects on intermediates. Adv. Funct. Mater. 32, 2205569 (2022).
45. Boyjoo, Y. et al. Molecular-level design of pyrrhotite electrocatalyst decorated hierarchical porous carbon spheres as nanoreactors for lithium-sulfur batteries. Adv. Energy Mater. 10, 2000651 (2020).
46. Sun, H. & Jung, W. Recent advances in doped ruthenium oxides as high-efficiency electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. J. Mater. Chem. A 9, 15506-15521 (2021).
47. Zhu, N.-X. et al. Self-generation of surface roughness by low-surface-energy alkyl chains for highly stable superhydrophobic/ superoleophilic MOFs with multiple functionalities. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 17033-17040 (2019).
48. Tam, J., Feng, B., Ikuhara, Y., Ohta, H. & Erb, U. Crystallographic orientation-surface energy-wetting property relationships of rare earth oxides. J. Mater. Chem. A 6, 18384-18388 (2018).
49. Shen, T.-H., Spillane, L., Peng, J., Shao-Horn, Y. & Tileli, V. Switchable wetting of oxygen-evolving oxide catalysts. Nat. Catal. 5, 30-36 (2022).
50. Chen, D. et al. Ultralow Ru loading transition metal phosphides as high-efficient bifunctional electrocatalyst for a solar-to-hydrogen generation system. Adv. Energy Mater. 10, 2000814 (2020).
51. Wu, Z.-Y. et al. Non-iridium-based electrocatalyst for durable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis. Nat. Mater. 22, 100-108 (2023).
52. Zhang, D. et al. Construction of Zn -doped nanowires for efficient and stable water oxidation in acidic media. Nat. Commun. 14, 2517 (2023).
53. Shi, Z. et al. Customized reaction route for ruthenium oxide towards stabilized water oxidation in high-performance PEM electrolyzers. Nat. Commun. 14, 843 (2023).
54. Kresse, G. & Furthmüller, J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comput. Mater. Sci. 6, 15-50 (1996).
55. Kresse, G. & Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B 54, 11169-11186 (1996).