析氢反应(HER)是电解水过程中的关键半反应之一,设计和合成高性能、低成本的HER电催化剂至关重要.铂(Pt)基电催化剂是酸性、碱性和中性电解质中最有效的HER催化剂,但高昂的价格制约了其广泛应用.钌(Ru)基纳米材料具有高HER活性、稳定性以及相对较低的成本(Ru金属的价格仅为Pt金属的1/20-1/4),是替代铂基HER电催化剂的理想电极材料,因此,发展简单高效的高活性Ru基HER催化剂合成方法具有重要意义.本文以还原氧化石墨烯和钌-聚烯丙胺(RuⅢ-PAA)络合物为前驱体,采用简单的吸附-热解策略,合成了高质量的氮掺杂石墨烯气凝胶负载的钌纳米晶纳米复合材料(Ru-NCs/N-GA).能量色散X射线光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等结果表明,RuⅢ-PAA络合物能够均匀吸附于三维多孔石墨烯气凝胶表面,作为氮(N)源和Ru源;Ru-NCs/N-GA纳米复合材料和无氮掺杂的Ru-NCs/GA纳米复合材料均具有三维多孔结构,有利于催化剂与电解质的充分接触,从而加速了电催化反应过程中的传质.在Ru-NCs/N-GA中,超小的钌纳米晶均匀地锚定在氮掺杂的石墨烯气凝胶表面,而无氮掺杂的Ru-NCs/GA纳米复合物中钌纳米晶团聚非常严重,表明氮的掺杂对于控制钌的晶粒尺寸非常重要.随着处理温度的升高,钌纳米晶的粒子尺寸和基底的导电性增加,但缺陷程度有所下降,在900℃热处理所获得10 wt％Ru-NCs/N-GA-900纳米复合材料具有良好的钌纳米晶分散性(钌纳米粒子尺寸仅为2.3 nm).HER电化学测试结果表明,Ru-NCs/N-GA-900纳米复合材料在1 mol/L HC1O4和1 mol/L KOH电解液中仅需要52和36 mV的过电位即可达到10 mA cm-2的电流密度,与20 wt％Pt/C电催化剂HER性能相当,且优于其他温度处理的Ru-NCs/N-GA和目前报道的大部分Ru基HER电催化剂.与此同时,Ru-NCs/N-GA-900纳米复合材料也显示出良好的HER稳定性.Ru-NCs/N-GA纳米复合材料中Ru纳米晶的超细尺寸以及高分散性、钌与氮掺杂石墨烯之间协同作用、氮原子对钌原子的锚定功能贡献到Ru-NCs/N-GA-900纳米复合材料优异的HER活性和稳定性.综上,本文以简单的吸附-热解策略制备了低钌负载量的用于宽pH范围的氮掺杂石墨烯气凝胶支撑的钌纳米晶,其性能可媲美商业化Pt/C催化剂,在电解水制氢领域具有良好的工业化应用前景.

电解水;石墨烯气凝胶;氮掺杂;钌纳米晶;氢析出反应

丁钰;曹凯文;贺嘉伟;李富民;黄昊;陈沛;陈煜

陕西省大分子科学重点实验室,应用表面与胶体化学教育部重点实验室,陕西省能源新材料与器件重点实验室,陕西省能源新技术工程实验室,陕西师范大学材料科学与工程学院,陕西西安710062;金华高等研究院可持续能源材料与科学学院,浙江金华321000

催化学报

[1]丁钰;曹凯文;贺嘉伟;李富民;黄昊;陈沛;陈煜-.氮掺杂石墨烯气凝胶负载的钌纳米晶用于宽pH范围析氢反应)[J].催化学报,2022(06):1535-1543

钌纳米晶,HC1O4

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