Ru纳米晶的形貌调控和电催化析氢性能

【作者】 张南； 郝宇晨； 王涛； 殷安翔； 胡长文；

【机构】 北京理工大学化学与化工学院原子分子簇科学教育部重点实验室；

【摘要】 能源和环境是当今时代备受关注的两个重要问题。全球对能源的需求一直在快速增长,预计到2100年能源需求将约为18 TW（现在的3倍）^[1]。然而,迄今为止,大部分能源来自于化石燃料,其储量有限,是不可再生能源。氢能具有零排放（即零污染）和高能量密度（120 MJ/kg （LHV）～142 MJ/kg （HHV））等特点^[2],因而可代替传统化石燃料作为理想的清洁能源,电解水是获得高纯度、高产率的氢能的重要手段之一。钌（Ru）纳米晶及其衍生物被广泛用于各种重要的工业催化反应,包括氨合成^[3],费-托合成^[4],CO氧化^[5]和甲烷化反应^[6]等。最近,Ru基纳米晶被证明是一种很有前景的析氢反应（HER,2H⁺+2e^-→H₂）催化剂,是商业Pt/C催化剂的经济有效的替代品^[7]。Ru基催化剂可以提供与商业Pt/C催化剂相当的HER活性,但成本远低于Pt（价格约为Pt的1/20）。通过调研文献我们发现已经报道的相关工作主要关注于Ru基纳米材料的物相和载体对HER性能的影响。对Ru纳米晶进行系统的可控合成、探究形貌结构与HER性能之间的关系对于基础研究和实际应用都是必要的。本文我们使用一步水热法可控合成了不同形貌、暴露不同晶面的Ru纳米材料,探究了不同形貌的纳米材料对HER性能的影响。Fig.1a和b分别为合成的Ru纳米颗粒（NPs）和纳米片（NSs）的TEM图,从图中可以看出我们成功合成了沿不同晶面生长的Ru纳米晶。由Fig.1c可知,在1M KOH的电解液中,Ru NPs,NSs和商业Pt/C催化剂在质量电流密度为100 mA mg^-1时对应的过电势分别为67,109和62 mV,通过对比可知,碱性HER活性:Ru NPs≈Pt/C>NSs。控制合成的不同形貌的Ru催化剂具有不同的活性表现,特别是Ru NPs的产氢性能可与商业Pt/C相媲美。考虑到Ru的成本远低于Pt,该催化剂具有广阔的应用前景。更多还原