杜云梅博士、李彬副教授，CEJ观点：微波处理促进RuCoMoyOx形成晶型/无定形异质界面用于实现高效的整体水分解

文 章 信 息

微波处理促进RuCoMo_yO_x形成晶型/无定形异质界面用于实现高效的整体水分解

第一作者：任金红

通讯作者：李彬*、杜云梅*

单位：青岛科技大学

研 究 背 景

具有独特电子效应和协同效应的异质界面工程策略在丰富催化功能和提高本征活性方面具有相当大的应用潜力。其中，具有无定形/晶型(a/c)异质结构的电催化剂由于结构上的巨大差异往往表现出显著的活性。然而，a/c-异质界面区域的可控调控及其与电催化性能的内在联系仍缺乏系统研究。本篇工作展示了利用简单的方法合成了具有异质界面可调控的晶型/无定形的RuCoMo_yO_x材料，应用于碱性整体水分解中。并为通过控制微波时间来调节无定形/晶型异质界面以优化电催化性能提供了新的思路。

文 章 简 介

基于此，来自青岛科技大学的李彬副教授和杜云梅博士，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Modulating amorphous/crystalline heterogeneous interface in RuCoMo_yO_x grown on nickel foam to achieve efficient overall water splitting”的研究文章。该研究文章介绍了采用简单的共沉淀-微波处理法制备了由晶型CoMoO₄和CoO相与无定形RuCoMoO_x相组成的具有可控晶型/无定形异质界面的a/c-RuCoMo_yO_x/NF电催化剂。并且，在高频磁场的作用下，微波时间直接影响非晶/晶区的比例，从而影响电子传输能力和本征电催化活性。这项工作为通过控制微波时间来调节非晶/晶体异质界面以优化电催化性能提供了新的思路。

本 文 要 点

要点一：具有晶型/无定形异质界面的纳米片结构暴露更多的电化学活性表面积，电子结构被优化有利于提高电催化活性

通过简单的共沉淀-微波法制备了设计良好的由晶型CoMoO₄和CoO相与无定形RuCoMoOx相组成的具有晶型/无定形异质界面的RuCoMo_yO_x纳米片材料（a/c-RuCoMo_yO_x/NF），其反应过程如图所示。纳米片结构有利于暴露更多的活性表面积，晶型/无定形异质界面的存在优化了催化剂内部的电子结构，携带负电荷较多的Ru物种有利于H*的吸附。有助于催化剂的催化活性的提高。

图1. a/c-RuCoMo_yO_x/NF的合成过程流程图和形貌表征。

图2. a/c-RuCoMo_yO_x/NF的XRD和XPS光谱。

要点二：提出微波时间可有效调控晶型/无定形异质界面优化电子结构，有效提高电催化性能

通过控制微波时间合成了一系列催化剂。为了准确直观的显示a/c-RuCoMo_yO_x/NF的结晶度。选择以c-RuCoMo_yO_x/NF-40s为基准样品，结晶度为100 %。值得注意的是，a/c-RuCoMo_yO_x/NF的相对结晶度为41.3 %。此相对结晶度有利于a/c-RuCoMo_yO_x/NF产生丰富的异质界面。

图3.不同微波时间的催化剂的XRD。

要点三：密度泛函理论（DFT）计算揭示a/c-RuCoMo_yO_x/NF催化剂的真正活性位点

DFT计算结果表明，非晶态Ru-CoMoO_x相Ru位上H吸附的吉布斯自由能(ΔGH*)仅为-0.16 eV，表明Ru-CoMoO₄/Ru-CoMoO_x异质结构中无定形Ru-CoMoO_x处的Ru原子作为HER活性位点加速了氢气的逸出。而在Ru-CoMoO₄/Ru-CoMoO_x模型中不同位点OER的决速步骤为*O→*OOH，其中，晶型Ru-CoMoO₄相中Ru位点的*O→*OOH过程的能垒最低(1.56 eV)，揭示了Ru-CoMoO₄/Ru-CoMoO_x异质结构中晶型Ru-CoMoO₄相中的Ru原子是OER活性中心。综上所述，晶型/无定形异质结构的存在促进了材料导电性的提高，加速了催化过程中的电子迁移。

要点四：具有丰富晶型/无定形异质界面a/c-RuCoMo_yO_x/NF表现出优异的整体水分解性能

本工作通过共沉淀—微波法制备的具有晶型/无定形异质界面的a/c-RuCoMo_yO_x/NF纳米片材料，表现出优异的整体水分解性能。具体如下：a/c-RuCoMo_yO_x/NF的HER和OER的η10分别为39和166 mV，a/c-RuCoMo_yO_x/NF组装的电解池只需要1.58 V的电压就可以驱动100 m A cm-2的电流密度。本工作为晶型/无定形异质界面的构建和界面区域的调控提供了新的思路和便捷的方法。

图4. a/c-RuCoMo_yO_x/NF的HER和OER性能测试。

图5. a/c-RuCoMo_yO_x/NF的全水分解性能测试。

文 章 链 接

Modulating amorphous/crystalline heterogeneous interface in RuCoMo_yO_x grown on nickel foam to achieve efficient overall water splitting

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143993

通 讯 作 者 简 介

李彬，副教授，博士毕业于复旦大学化学系，博士毕业后在新加坡南洋理工大学继续博士后的研究工作。主要从事新型多孔材料的合成与应用，已在Journalof the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Science等期刊发表二十余篇论文。

杜云梅，博士后，现于青岛科技大学环境与安全学院从事科研工作。近年来，一直致力于多相催化剂的设计构筑及其在电催化领域的应用。以第一或通讯作者在InfoMat、Nano Research、Journal of Materials Chemistry A、Applied Surface Science等国际期刊发表SCI论文10余篇。

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