​侯阳/武刚AFM:通过桥接Ru-H动力学加速阴离子交换膜电解槽中析氢的基本步骤

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设计析氢反应(HER)电催化剂以促进其缓慢的吸附动力学,是可持续电解水生产绿色氢气的关键。基于此,浙江大学侯阳教授,纽约州立大学布法罗分校武刚教授(共同通讯作者)等人报道了一种高性能Ru催化剂(NS-Ru@NiHO/Ni5P4),由具有相邻单原子Ru(Ru SAs)位点的原子层状Ru纳米团簇(Ru NCs)组成,该催化剂可以通过桥接Ru-H活化策略动力学加速HER。


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为了研究Ru NCs和SAs在NS-Ru@NiHO/Ni5P4中协同效应的优点,本文通过DFT计算模拟了碱性介质中经典的Volmer-Heyrovsky/Tafel HER过程。计算结果表明,NS-Ru@NiHO/Ni5P4中的桥接Ru-H过渡态(SA-O-H-NC)的活化能垒明显低于其他可能的中间构型,这意味着水解离过程的桥接Ru-H在热力学上是更有利的。本文进一步比较了不同基本步骤的能垒,NS-Ru@NiHO/Ni5P4的Heyrovsky路径能垒较低,是更优势的反应路径。
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在上述分析的基础上,本文提出了NS-Ru@NiHO/Ni5P4的催化HER路径。水分子首先被吸附在Ru SAs附近,随后形成桥接Ru-H中间体(SA-O-H-NC)。随着水解离过程的发生,桥接的H原子被附近的原子层状Ru NCs锚定,OH-扩散到电解质中。同时,另一个水分子被Ru SAs吸附并通过NCs和SAs之间的协同作用解离。最后,H2分子形成并从NCs活性位点逸出。
Kinetically Accelerating Elementary Steps via Bridged Ru-H State for the Hydrogen-Evolution in Anion-Exchange Membrane Electrolyzer. Adv. Funct. Mater.2023, DOI: 10.1002/adfm.202212321.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202212321.




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