第一作者：刘海
通讯作者：邝允教授 孙晓明 教授
通讯单位：北京化工大学
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本文要点
质子交换膜 (PEM) 水电解显示出电流密度高、效率高和结构紧凑等优点，但受到铱 (Ir) 基阳极催化剂稀缺和价格高的困扰。在此，将具有高价态的不溶性铌 (Nb) 掺入 RuO2 设计为一种不含 Ir 的催化剂，用于活性和稳定的酸性析氧反应 (OER)。Nb0.1Ru0.9O2 在 200 mA cm-2 的 360 小时耐久性测试中表现出低过电势 (204 mV) 和超低降解率 (25 mV/h) 的极佳稳定性，仅为衰减的 1/100 在 10 mA cm-2 下测量的其他 Ru 基催化剂的速率。以 Nb0.1Ru0.9O2作为阳极的 PEM 电解槽在 300 mA cm-2 下运行 100 小时后仍然存在。氧中间体对活性 Ru 位点的增强吸附降低了 OER 能垒，而在 OER 过程中通过 Nb 掺杂和 Nb5+ 的形成增强了电子向 Ru 的转移，从而延长了催化剂的耐久性。
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作者提出的Highlights
（1）Ru-Nb binary oxide with monodispersed Nb atoms is an efficient acidic OER catalyst.
（2）The Ru-Nb binary oxide exhibits high stability at 300 mA cm2 in PEM electrolyzers.
（3）The strengthened adsorption with oxygen intermediates boosts the OER activity.
（4）The electron transfer from Nb to Ru eliminates over-oxidation of ruthenium oxides.
03
图文介绍
PEM 电解槽受到了极大的关注，但由于高度昂贵的铱基 OER 催化剂而受到限制。RuO2 作为 Ir 基催化剂的有前途的替代品，存在严重的褪色问题。在这里，依靠电子转移和通过形成强 Nb-O 键弱化 Ru-O 键，具有单分散 Nb 掺杂剂的 RuO2 在高电流密度下表现出高活性和稳定性。这项工作实现了一种高效的无铱 OER 催化剂，并提供了对稳定局部结构在 OER 中的重要作用的见解。
图 1. 制备的 NbxRu1-xO2 的设计策略和表征 (A) Nb0.1Ru0.9O2 的合成路线示意图。(B) NbxRu1-xO2 的 XRD 图（x = 0、0.05、0.1、0.2 和 0.3）。(C) 来自 (B) 的 NbxRu1-xO2的扩展 XRD 图。(D) Nb0.1Ru0.9O2在 5 nm 尺度下的 HRTEM 图像。(E) NbxRu1-xO2、商用 RuO2 和商用 Nb2O5 的拉曼光谱。(F) HAADF-STEM 在 5 nm 尺度下的线扫描图像。(G) Ru 和 Nb 对应的线扫描元素分布曲线。(H) Nb0.1Ru0.9O2在 10 nm 尺度下的元素分布图。
图 2. 制备的 NbxRu1-xO2在三电极系统和 PEM 电解槽中的 OER 性能 (A) NbxRu1-xO2、自制 RuO2 和商业 RuO2 在 RDE 上以 1,600 rpm 的扫描速率测量的极化曲线。(B)NbxRu1-xO2、自制 RuO2 和商用 RuO2 的相应 Tafel 图。(C) Nb0.1Ru0.9O2与最近报道的 Ru 基 OER 电催化剂之间的过电位和 Tafel 斜率比较。(D) Nb0.1Ru0.9O2、自制 RuO2 和商用 RuO2 在 100 和 200 mA cm-2 下的计时电位测试。(E) Nb0.1Ru0.9O2和已报道的 Ru 基催化剂在 10 mA cm-2 下的衰减率 (mV/h) 比较。(F) PEM 电解槽在 80 ℃下测得的极化曲线，使用合成后的 Nb0.1Ru0.9O2或商用 RuO2 作为阳极，20% Pt/C 作为阴极。(G) PEM电解槽在300 mA cm-2下的相应稳定性测试。
图 3. Nb0.1Ru0.9O2 的 EXAFS 和 XPS 表征 (A) Ru 箔、RuCl3、Nb0.1Ru0.9O2 和 Nb0.1Ru0.9O2以及纯 RuO2 经过稳定性测试后的 Ru k 边光谱。(B) Nb 箔、Nb0.1Ru0.9O2 和 Nb2O5 的 Nb K 边光谱。插图是所选区域的扩展图像。(C) Nb0.1Ru0.9O2、Nb0.2Ru0.8O2 和 Nb0.1Ru0.9O2经过稳定性测试和纯 RuO2 后的 Ru 3p XPS 光谱。(D) Nb0.1Ru0.9O2、Nb0.2Ru0.8O2 和 RuO2 的 O 1s XPS 光谱。(E) 经过稳定性测试后，Nb0.1Ru0.9O2 和 Nb0.1Ru0.9O2、新鲜 RuO2 和 Ru 箔的 R 空间中的傅里叶变换 Ru K 边 EXAFS。(F) Nb0.1Ru0.9O2 和 Nb2O5 的傅里叶变换 K 边 EXAFS
图 4. NbxRu1-xO2的 DFT 计算和 ATR-SEIRAS 分析 (A) Nb0.1Ru0.9O2 和 RuO2 的自由能图。(B) Nb0.1Ru0.9O2的 ATR-SEIRAS分析。(C)自制 RuO2 的 ATR-SEIRAS 分析。(D) NbxRu1-xO2和 RuO2 的氧化还原峰的 CV 分析，测量范围为 0.0 至 2.0 V vs. Ag/AgCl。
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导师介绍
课题组网页：http://www.sunxmgroup.com/
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本文信息
Hai Liu, Yun Kuang,and Xiaoming Sun, Eliminating over-oxidation of ruthenium oxides by niobium for highly stable electrocatalytic oxygen evolution in acidic media. Joule, 2023, 7, 558–57.
https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.02.012
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