En Bi-dopet RuO₂-katalysator til effektiv og holdbar sur vandoxidation

Vandelektrolyse er en lovende tilgang til at generere brint ved at omdanne elektrisk energi drevet af bæredygtig energi til kemisk energi lagret i brintbindinger.

På grund af den lavere driftstemperatur, højere spændingseffektivitet, højere strømtætheder og bedre kompatibilitet i forhold til traditionelle alkaliske elektrolysatorer, er protonudvekslingsmembranvandelektrolysator (PEMWE) dukket op som en lovende teknologi til grøn brintgenerering.

Imidlertid kræver anode-iltudviklingsreaktionen (OER) med træg reaktionskinetik normalt for stort energiforbrug, hvilket væsentligt begrænser effektiviteten af ​​PEMWE. I øjeblikket er iridiumoxid (IrO₂ ), som kan lide under stærkt oxidative og korrosive forhold, er blevet betragtet som den avancerede anodekatalysator for PEMWE. Imidlertid hindrer de høje omkostninger forbundet med lav masseaktivitet strengt opskaleringsudnyttelsen.

Derfor er det meget presserende at designe og udforske omkostningseffektive katalysatorer med høj elektrokatalytisk ydeevne og stabilitet over for sur OER, men det er stadig udfordrende.

For nylig er rutheniumoxid (RuO₂ ) betragtes som et lovende alternativ til IrO₂ for sur OER på grund af dens høje indre aktivitet og lave pris.

Det er kendt, at øge den indledende oxidationstilstand af Ru i RuO₂ at fremme aktiv Ru-centreret oxidation er en effektiv strategi til at forbedre den elektrokatalytiske ydeevne. Til dette formål er der gjort en stor indsats for at dope fremmede elementer for at justere valancetilstanden af ​​Ru i RuO₂ -baserede katalysatorer, hvilket fører til meget øget aktivitet.

Den lette overoxidation af Ru-steder til dannelse af opløseligt RuO₄ ^2- arter med højt potentiale under OER-processen resulterer normalt i kollaps af krystalstruktur og opløsning af Ru-arter, hvilket er selve årsagen til den utilfredse langsigtede stabilitet af RuO₂ for sur OER.

Således udvikle en effektiv strategi til at balancere vippeforholdet mellem stabilitet og aktivitet af RuO₂ -baserede katalysatorer er afgørende for den praktiske anvendelse af PEMWE, men alligevel udfordrende.

For nylig udviklede et forskerhold ledet af prof. Wei Luo fra Wuhan University, Kina, en modificeret RuO₂ katalysator med bismuth (Bi)-doping (Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ ) for samtidig at øge aktiviteten og stabiliteten mod sur OER. Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Ru L_2,3 -kanter X-ray absorption near-edge structure (XANES) spektre viser den øgede initiale oxidationstilstand af Ru i Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ efter Bi-doping.

Elektrokemiske eksperimenter, ultraviolet fotoemissionsspektroskopi (UPS) og ultraviolet-synlig spektroskopi (UV) spektra karakteriseringer afslører meget hurtigere elektronoverførsel og bedre elektroledningsevne i Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ .

Tilsyneladende aktiveringsenergitests og densitetsfunktionsteori (DFT) beregningsresultater tyder på, at indførelsen af ​​Bi effektivt kan reducere både den tilsyneladende aktiveringsenergi og energibarrieren for det hastighedsbestemmende trin fra O* til OOH*, og derved føre til meget øget aktivitet, med et lavt overpotentiale på 200,0 mV ved 10 mA cm ^-2 , samt langtidsstabilitet over 100 timer.

Resultaterne er offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Flere oplysninger: Liqing Wu et al., A Bi-dopet RuO₂ katalysator for effektiv og holdbar sur vandoxidation, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64554-1

Leveret af Chinese Academy of Sciences