摘要
随着全球能源危机的加剧，氢气(H2)是取代化石燃料的可持续、最清洁的能源之一，目前发展的重整天然气制氢不仅消耗了大量的自然资源，还会产生CO2，从而导致温室效应的加剧，因此要求开发一种环境友好、低成本的技术来大规模生产 H2于人类至关重要。由于电化学水分解的反应物易获得且反应过程中产物无污染，是生产环保氢燃料的一种有前景的方法。电解水理论上需要 1.23 V 的电压驱动，然而实际需要超过 1.8 V的电压来弥补阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)的反应势垒。 OER反应涉及四电子转移过程，反应动力学缓慢，需要较高过电势，虽然HER反应是两电子转移过程，相比 OER 较为容易，但是由于催化剂对不同反应的活性不同，因此很难将一种催化剂同时用于电解水系统中的阴极和阳极反应。为降低阴阳两极反应能垒，加速反应进行，研究人员致力各类催化剂的设计，包括引入缺陷、构建异质界面、增加金属活性位点等等，其中构建异质界面是一种有效的设计策略。界面两侧的物质不同及相的改变会引起界面处的原子重新排布，产生高能界面，调控催化剂表面电荷分布，优化中间体的吸附/解吸吉布斯自由能，由此加快反应动力学，促进目标产物的生成。基于此，本论文希望通过以下方案设计碱性介质中兼具OER和HER活性的催化剂，降低两种反应的反应势垒。具体研究内容如下： 1. 采用简单湿化学法得到 Co 纳米片，随后加入乙酰丙酮钌，在空气中退火得到具有表面晶格应变的RuOx/CoOy氧化物双纳米片。在碱性溶液中性能测试表明，所制得的RuOx/CoOy在电流密度10 mA cm-2处 OER 过电位为 285 mV，远低于商业 RuO2的过电位(345 mV)；而 HER 过电位低至 36 mV，与商业 Pt/C 相当。双纳米片界面处物质的晶格发生畸变，产生高能界面，改善了OER反应中间体*OH的吸附/解吸自由能并且降低了HER过程中的ΔGHads；表面电子重置，电子由Co转移至Ru，降低了Ru的氧化态，保持了RuOx/CoOy双纳米片的高活性和稳定性。 2. 采用简单湿化学法得到 Ni 纳米颗粒，随后加入乙酰丙酮钌，在空气中退火得到富含晶态与非晶态的RuOx/NiOy氧化物复合材料。在碱性溶液中性能测试表明，所制得非晶/晶相RuOx/NiOy复合材料在电流密度 10 mA cm-2处 OER 过电位为 295 mV，远低于商业 RuO2的过电位(345 mV)；而 HER 过电位低至 35 mV，可与商业 Pt/C 媲美。Ni纳米颗粒与Ru纳米片之间的异质界面和非晶/晶相RuO2界面处物质的晶格发生畸变，产生两种高能界面，加快了反应过程中电子的转移速率，优化了 OER 反应中间体*OH的吸附/解吸自由能并且降低了HER过程中的ΔGHads；界面间的强相互作用使表面电子重新分布，电子由Ni转移至Ru，降低了Ru的化合价，保持了RuOx/NiOy复合材料的高活性和稳定性。
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