1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

南洋理工大学张华Small:分级结构4H/fcc Ru纳米管在碱性介质中高效析氢

南洋理工大学张华Small:分级结构4H/fcc Ru纳米管在碱性介质中高效析氢

本文亮点:具有分级结构4H/fcc Ru纳米管(NTs)通过硬模板介导的方法合成。制备得到的4H/fcc Ru NTs在碱性介质中表现出优异的电催化析氢性能。

 

【引言】

在催化反应中,提高表面暴露原子的比例是实现贵金属催化剂高效利用的策略之一。近几十年来,人们致力于将贵金属的粒径降低至纳米尺度甚至原子尺度,以增加更多暴露的原子作为催化活性位点。但是,小尺寸的贵金属纳米晶在催化反应过程中容易团聚,或从基底上脱落。设计并合成具有高度开放结构的贵金属纳米框架不失为解决方案之一。然而,由于大部分制备得到的贵金属框架由尺寸较小的纳米晶组成,很难实现对暴露晶面的精确控制。而具有超薄外壳的贵金属空心结构优势更为明显,例如纳米笼,其合成步骤类似于纳米框架结构的合成。例如,佐治亚理工大学的夏幼南教授和他的合作者合成了铂纳米笼,其外壳厚度仅几个原子层。具有不同暴露面的纳米笼可以通过通过使用立方和八面体牺牲模板来控制。最近,具有面心立方(fcc)Ru的空心结构也展现了其在对硝基苯酚,4-硝基氯苯和苯乙烯的氢化以及氨硼烷的脱氢等反应中的优异催化性能.

 

【成果简介】

近日,南洋理工大学张华教授和中科院物理所谷林课题组(通讯作者)在国际期刊Small 上成功发表 “Synthesis of Hierarchical 4H/fcc Ru Nanotubes for Highly EfficientHydrogen Evolution in Alkaline Media”的论文。第一作者为博士后鲁启鹏和王安良。基于制备得到的晶相异质结构的4H金纳米带和4H / fcc金纳米棒,研究人员渴望开发具有新晶相和高比例的裸露原子的贵金属纳米材料作为高性能催化剂。在此,研究人员利用种子生长和选择性化学蚀刻法制备具有分级结构的4H / fcc Ru纳米管(NTs)。所获得的分级结构4H / fcc Ru NT包含超薄Ru壳层(5-9原子层)垂直生在在其表面的Ru纳米棒(NRs),长度为4.2±1.1nm,直径为2.2±0.5nm。制备得到的具有分级结构的4H / fcc Ru NT可用作碱性介质中析氢反应(HER)的电催化剂,具有较高的交换电流密度,较低的过电位(在10 mA cm-2下的过电位为23 mV),和较好的稳定性,优于4H / fcc Au-Ru NW,商业Pt / C,Ru / C和大多数报道的电催化剂。

 

【全文解析】

南洋理工大学张华Small:分级结构4H/fcc Ru纳米管在碱性介质中高效析氢

图1 a)分级结构4H / fcc Ru NTs合成的示意图。 b)4H / fcc Au NW,c)4H / fcc Au-Ru NWs和d)4H / fcc Ru NTs的低倍TEM图像。

南洋理工大学张华Small:分级结构4H/fcc Ru纳米管在碱性介质中高效析氢

图2 a)分级结构4H / fcc Ru NT的TEM图像。 b)4H / fcc Ru NT的HAADF-STEM图像。 b1,b2)从相应的两个虚线绿色方块中获取的FFT图案。 c)Ru(0004)4H的晶面间距。 d)4H / fcc Ru NT的STEM元素分布。

南洋理工大学张华Small:分级结构4H/fcc Ru纳米管在碱性介质中高效析氢

图3 a)在1.0 M KOH溶液中的4H / fcc Au NWs,4H / fcc RuNTs,4H / fcc Au-Ru NWs,商业Pt / C和Ru / C电催化剂的极化曲线。 b)由(a)中的极化曲线得到的4H / fcc Ru NTs,4H / fcc Au-Ru NWs,商业Pt / C和Ru / C电催化剂的塔菲尔图。 c)4H / fcc Ru NTs,4H / fcc Au-Ru NWs,商业Pt / C和Ru / C电催化剂在10mA cm-2(左)的过电势和交换电流密度(右)。 d)4H / fcc Ru NTs的稳定性测试。在从0.03到-0.04V(相对于RHE)的10 000个循环伏安之前和之后记录极化曲线。

 

分级4H / fcc Ru NT的优异的HER电催化性能可归因于以下几个方面:(i)Ru NTs的独特分级和多孔结构,可提供更大的表面积和活性中心,进而提高了电催化剂的利用率; (ii)据报道,原子台阶和晶界等缺陷可以改善局部电子结构,从而增强其催化活性。在我们的工作中,含有4H和fcc结构的Ru NTs富含原子凹/凸台阶/和晶相边界,这可能有助于提高HER性能。此外,具有超薄外壳和微小Ru NR的中空分级Ru NT可以促进电化学HER过程中的电子传输

 

总而言之,研究人员第一次报道了具有分级结构4H / fcc Ru NTs的合成。获得的4H / fcc Ru NTs包含超薄Ru外壳(5-9原子层)和在其表面生长的Ru NRs(长4.2±1.1 nm,直径2.2±0.5 nm)。所获得的4H / fcc Ru NTs用作在碱性介质中的HER电催化剂,其催化性能好于4H / fcc Au-Ru NWs,商业Pt / C,Ru / C,和大多数报道的电催化剂。该合成策略可用于设计和合成更多具有分级结构的高性能金属纳米催化剂。

Qipeng Lu, An‐Liang Wang, Hongfei Cheng, Yue Gong, Qinbai Yun, Nailiang Yang, Bing Li, Bo Chen, Qinghua Zhang, Yun Zong, Lin Gu, Hua Zhang, Synthesis of Hierarchical 4H/fcc Ru Nanotubes for Highly Efficient Hydrogen Evolution in Alkaline Media, Small, DOI:10.1002/smll.201801090

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code