Vattenelektrolys är ett lovande tillvägagångssätt för att generera väte genom att omvandla elektrisk energi som drivs av hållbar energi till kemisk energi lagrad i vätebindningar.
På grund av den lägre driftstemperaturen, högre spänningseffektivitet, högre strömtätheter och bättre kompatibilitet jämfört med traditionella alkaliska elektrolysörer, har protonutbytesmembranvattenelektrolysör (PEMWE) framstått som en lovande teknik för generering av grönt väte.
Emellertid kräver anodsyreutvecklingsreaktionen (OER) med trög reaktionskinetik vanligtvis överdriven energiförbrukning, vilket avsevärt begränsar effektiviteten hos PEMWE. För närvarande iridiumoxid (IrO2 ), som kan drabbas av mycket oxidativa och korrosiva förhållanden, har betraktats som den senaste anodkatalysatorn för PEMWE. Den höga kostnaden förknippad med låg massaktivitet hindrar dock strikt uppskalningsanvändningen.
Därför är det mycket brådskande att designa och utforska kostnadseffektiva katalysatorer med hög elektrokatalytisk prestanda och stabilitet mot sura OER men är fortfarande utmanande.
Nyligen har ruteniumoxid (RuO2 ) betraktas som ett lovande alternativ till IrO2 för sura OER på grund av dess höga inneboende aktivitet och låga pris.
Det är känt att öka det initiala oxidationstillståndet för Ru i RuO2 att främja aktiv Ru-centrerad oxidation är en effektiv strategi för att förbättra den elektrokatalytiska prestandan. För detta ändamål har stora ansträngningar ägnats åt att dopa främmande element för att justera valanstillståndet för Ru i RuO2 -baserade katalysatorer, vilket leder till mycket ökad aktivitet.
Den lätta överoxidationen av Ru-ställen för att bilda lösligt RuO4 2- arter med hög potential under OER-processen resulterar vanligtvis i kollaps av kristallstruktur och upplösning av Ru-arter, vilket är själva orsaken till den otillfredsställda långsiktiga stabiliteten hos RuO2 för sur OER.
Sålunda utveckla en effektiv strategi för att balansera gungbrynsrelationen mellan stabilitet och aktivitet hos RuO2 -baserade katalysatorer är avgörande för den praktiska tillämpningen av PEMWE, men ändå utmanande.
Nyligen utvecklade ett forskarlag under ledning av prof. Wei Luo från Wuhan University, Kina, en modifierad RuO2 katalysator med vismut (Bi) dopning (Bi0,15 Ru0,85 O2 ) för att samtidigt öka aktiviteten och stabiliteten mot sura OER. Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och Ru L2,3 -kanter X-ray absorption near-edge structure (XANES) spektra visar det ökade initiala oxidationstillståndet för Ru i Bi0,15 Ru0,85 O2 efter Bi-doping.
Elektrokemiska experiment, ultraviolett fotoemissionsspektroskopi (UPS) och ultraviolett-synlig spektroskopi (UV) spektra indikerade visar mycket snabbare elektronöverföring och bättre elektrisk konduktivitet i Bi0,15 Ru0,85 O2 .
Synbar aktiveringsenergitester och resultat av beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT) tyder på att införandet av Bi effektivt kan minska både den skenbara aktiveringsenergin och energibarriären för det hastighetsbestämmande steget från O* till OOH*, vilket leder till mycket förbättrad aktivitet, med en låg överpotential på 200,0 mV vid 10 mA cm -2 , samt långtidsstabilitet över 100 timmar.
Resultaten publiceras i Chinese Journal of Catalysis .
Mer information: Liqing Wu et al, A Bi-doped RuO2 katalysator för effektiv och hållbar sur vattenoxidation, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64554-1
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
