强金属-载体相互作用增强氮化钛负载钌纳米颗粒的电催化析氢能力
-
阅读： 2023/9/8 16:33:35
以下文章来源于Carbon Energy ，作者张立学
Strong metal–support interaction boosts the electrocatalytic hydrogen evolution capability of Ru nanoparticles supported on titanium nitride
Xin Wang, Xiaoli Yang*, Guangxian Pei, Jifa Yang, Junzhe Liu, Fengwang Zhao, Fayi Jin, Wei Jiang, Haoxi Ben, Lixue Zhang*
Carbon Energy
DOI：10.1002/cey2.391
研究背景
非铂基电催化水裂解催化剂的设计和制备得到了广泛关注。作为析氢反应（HER）的潜在催化剂，钌基催化剂凭借其固有的高活性和相对较低的价格备受瞩目。然而，由于高表面能，钌基纳米催化剂仍面临着金属颗粒易于团聚的挑战，为提升钌基催化剂在HER中的应用可行性，进一步提高其催化活性和稳定性显得至关重要。分散和锚定金属催化剂的有效方法之一是利用强金属-载体相互作用(SMSI)。通过SMSI效应，载体在反应过程中传质形成覆盖层将活性金属封装，可以提高催化剂的稳定性，防止活性金属颗粒的聚集。除此之外，SMSI效应还可以改变催化剂的电子结构，进一步调节催化剂的活性和选择性。在可还原性金属氧化物(如TiO2, CeO2和ZnO)作为载体的负载型催化剂中，常可观察到SMSI效应。然而，由于这些金属氧化物载体的导电性普遍较差，导致SMSI效应在电催化体系中的应用尚未得到太多关注，探索金属颗粒与高导电载体材料之间的SMSI效应势在必行。
本文亮点
通过还原处理，发现高导电载体TiN与贵金属Ru纳米颗粒之间形成了强金属-载体相互作用(SMSI)。一方面，SMSI可以抑制催化剂中金属颗粒的团聚，同时TiN覆盖层与Ru纳米颗粒之间发生传质封装，在保持覆盖层渗透性的同时实现较高的催化稳定性；另一方面，TiN-Ru界面上电荷重新分布发生电子转移，影响了材料的催化活性。
研究成果
近日，青岛大学张立学教授和杨晓丽副教授基于调控强金属载体相互作用（SMSI）的思想，通过调变还原温度，制备了在Ru纳米颗粒上覆盖不同程度氮化钛层的Ru/TiN催化剂，并将其应用于碱性电解水析氢反应中。表征结果表明，随着SMSI度的增加，氮化钛载体逐渐包裹Ru纳米粒子，形成不同程度的覆盖层，同时通过Ru-N-Ti键诱导更多的电子从Ru纳米颗粒转移到氮化钛载体上。进一步的研究表明，暴露的Ru-TiN界面有效促进了H2的解吸能力。因此，在中等SMSI程度下，Ru/TiN-300（300为还原温度，℃）表现出卓越的HER性能，10 mA cm?2时的过电位仅为38 mV。此外，由于氮化钛覆盖层对Ru纳米颗粒的封装作用，Ru/TiN-300还表现出优异的稳定性。该成果以“Strong metal–support interaction boosts the electrocatalytic hydrogen evolution capability of Ru nanoparticles supported on titanium nitride”为题发表在Carbon Energy上。
图文导读
图1 Ru/TiN合成方法的示意图。
图2 Ru/TiN-300的(A) SEM图像、(B) TEM图像、(C) XRD谱图、(D) TEM图像、(E) HRTEM图像、(F) Ti、Ru、N元素分布图像。
图3 (A) Ru/TiN-200、(B) Ru/TiN-300、(C) Ru/TiN-400和(D) Ru/TiN-500的TEM图像和粒径分布。(E) Ru/TiN-200、(F) Ru/TiN-300、(G) Ru/TiN-400和(H) Ru/TiN-500的HRTEM图像。
图4 (A) 室温下吸附CO和He吹扫后得到的原位漫反射红外光谱。(B) C 1s和Ru 3d，以及(C) N 1s的XPS光谱。(D) 归一化Ru k边XANES谱。(E) Ru k边的FT-EXAFS光谱。(F) 不同Ru/TiN-T样品的H2化学吸附量。(G) Ru/TiN在不同还原阶段的结构演化示意图。
图5 各种催化剂的(A) HER极化曲线，以及(B) 达到10、50和100 mA cm?2电流密度时所需的过电位。(C) Ru/TiN-300的长期耐久性试验。各种电催化剂的(D) 塔菲尔曲线，(E) 双电层电容，以及(F) Nyquist曲线。
图6 Ru/TiN-T样品的H2-TPD曲线。
相关论文信息
论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文
论文标题：
Strong metal-support interaction boosts the electrocatalytic hydrogen evolution capability of Ru nanoparticles supported on titanium nitride
论文网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.391
DOI:10.1002/cey2.391
转自：“蔻享学术”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！