秦延林&邱学青Angew.：Ru-FeNi合金异质结/C双功能催化剂高效水分解！

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研究内容

利用清洁能源电解水是一种很有前途的绿色制氢方式。目前，用于水电解的性能最好的催化剂主要是基于Pt和Ir的贵金属催化剂，而非贵金属和非金属催化剂的活性和稳定性通常较差。合理设计用于析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的高效、稳定、廉价的双功能电催化剂是通过电解水分解实现绿色制氢（H2）的关键挑战。

广东工业大学秦延林&邱学青通过自组装沉淀和原位热解，合成了木质素衍生的氮掺杂碳包封钌纳米粒子（Ru NPs）和铁镍合金（FeNi）异质结催化剂（Ru-FeNi@NLC）。该催化剂在10 mA cm-2下表现出优异的性能，HER和OER的超电势分别为36 mV和198 mV，并且总体水分解仅需要1.48 V。相关工作以“Ru-FeNi Alloy Heterojunctions on Liginin-derived Carbon as Bifunctional Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者通过羧化改性的木质素与Fe、Ni和Ru过渡金属离子的精确配位，自组装沉淀后在高温下一步热解进行氮掺杂，制备了具有折叠和核-壳结构的Ru纳米颗粒和FeNi合金组成的异质结（Ru-FeNi@NLC）催化剂。Ru-FeNi异质结被木质素衍生的氮掺杂碳层包裹，并均匀地嵌入具有大比表面积和丰富孔结构的碳载体中。异质结由平均粒径为12.9 nm的均匀分布的纳米颗粒组成。

要点2.设计的催化剂在1.0 M KOH中表现出优异的电催化性能，HER在10 mA cm-2时的过电位为36 mV，OER在100 mA cm-2中的过电位则为198 mV。此外，它只需要1.48 V就可以产生10 mA cm-2的整体水分解。

要点3.实验和密度泛函理论（DFT）计算表明，Ru-FeNi@NLC通过组分改性和氮掺杂碳层诱导的电荷密度再分配进行了调节，增强电子转移，平衡了活性组分和反应中间体的吸附/脱附自由能，降低了HER和OER速率决定步骤的反应能垒，改善了HER和OER的反应动力学。

该研究为构建高活性、高稳定性、低成本、绿色合成的水电解双功能催化剂提供了一种基于可再生生物质大分子的新策略。

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研究图文

图1.（a）Ru-FeNi@NLC催化剂的合成路线。（b-c）Ru-FeNi@NLC的SEM。Ru-FeNi@NLC的（d）TEM，（e）HRTEM，（f-g）HAADF-STEM和（h）C，N，Fe，Ni和Ru的元素分布。

图2.（a）Ru-Fe@NLC，NiRu@NLC，FeNi@NLC，和Ru-FeNi@NLC的XRD）。（b）C 1s、（c）N 1s、（d）Fe 2p、（e）Ni 2p和（f）Ru 3p的光XPS。

图3.（a，d）FeNi@NC，Ru-Fe@NC，RuNi@NC，Ru-FeNi@NC、Pt/C和RuO2在2 mV·s-1的扫描速率且无iR补偿下的氢气和氧气析出反应（HER和OER）极化曲线。（b，e）相应的塔菲尔图。（c，f）电流密度为10和100 mA cm-2时的过电位。（g，h）FeNiRu@NC的电位和u-t曲线中HER和OER过程的时间。

图4.（a）FeNi@NLC，Ru-Fe@NLC，RuNi@NLC和Ru-FeNi@NLC的电化学表面积（ECSA）。（b）在250 mV的过电位下的电化学阻抗谱（EIS）图。（c）Ru-FeNi@NLC||Ru-FeNi@NLC电极和RuO2||的线性扫描伏安法（LSV）曲线，在2 mV s-1的Pt/C电极1 M KOH溶液中，在双电极系统中没有iR补偿。（d）Ru-FeNi@NC，（e）Ru-FeNi@NLC与所报道的催化剂的总水解性能相比。

图5.（a）HER在N原子和C原子上的吸附。（b）在Ru-FeNi@NLC上几何优化的OER中间体的反应循环。（c）Ru-FeNi@NLC和FeNiRu在1.23 V下OER的吉布斯自由能曲线。（d，e）FeNi@NLC，Ru-Fe@NLC，Ru-FeNi@NLC，FeNiRu@C，NiRu@NLC和FeNiRu的HER和OER火山图。（f）Ru-FeNi@NLC和FeNiRu@C的状态密度图。（g）Ru-FeNi@NLC的电荷密度差异（上一级为侧视图，下一级为俯视图；黄色表示电子增益，蓝色表示电子损失）。

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文献详情

Ru-FeNi Alloy Heterojunctions on Liginin-derived Carbon as Bifunctional Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting

Xuliang Lin, Jianglin Liu, Xueqing Qiu,* Bowen Liu, Xiaofei Wang, Liheng Chen, Yanlin Qin*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202306333

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