近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊開發出一種具有本征缺陷結構的氧化釕/石墨烯二維異質結催化劑，實現了在全pH范圍內高活性、高穩定的電解水析氧。
電催化分解水在清潔能源體系中具有重要的意義。電解水反應中的析氧反應（OER）因其緩慢的動力學特征成為制約電解水反應整體效率的瓶頸；與此同時，電解水應用有堿性電解槽和酸性電解槽，應用環境比較苛刻。氧化釕是一種典型的酸性OER催化劑，在堿性條件下活性較差。因此，開發有效的調控略策以同時提升氧化釕在酸性和堿性溶液中的電催化析氧活性具有重要的研究意義。
本征缺陷結構二維催化劑示意圖 (a)、SEM圖 (b)、TEM圖 (c)和酸性與堿性溶液中的電催化析氧性能圖 (d)
氧化釕的OER活性與Ru位點的配位結構緊密相關，研究發現具有氧缺位的RuO5結構較完美氧化釕中的RuO6具有更優越的OER活性，所以制造具有氧缺位的Ru位點是提升氧化釕OER活性的關鍵。此外，氧化釕較差的導電性也限制其催化活性。為了解決這些難題，該研究團隊提出利用氧化石墨烯的氧團簇限域氧化Ru前驅體，制備出具有本征氧缺位的氧化釕與石墨烯的二維異質結高效催化劑。由于氧化石墨烯與Ru前驅體的強配位作用，該二維結構具有9 nm的超薄厚度、125 m2 g-1的高比表面積和4歐姆級別的低電阻，并且同步輻射研究表明該催化劑具有本征的RuO5氧缺位結構。當電流密度為10 mA cm-2時，該催化劑在酸性和堿性電解液中過電位僅為169 mV和175 mV，是目前報道的最優越的全pH析氧電催化劑。同時，該研究團隊結合理論計算，發現本征的氧缺位RuO5結構能夠增強羥基的吸附并加速羥基的分解，進而顯著提升酸性和堿性電解液中的析氧活性。因此，該工作為二維催化劑缺陷結構和電子調控以及全pH析氧電催化劑的設計提供了新方案。
相關研究成果發表在《納米能源》（Nano Energy）上。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。
