RuNiWCNPC多界面高效HER电催化剂

　　全文简介
　　合理设计和构建在高温、强碱、高盐条件下稳定运行的新型高效析氢电催化剂是实现经济可持续的制氢和低能耗氯碱联产的关键挑战。研究人员成功制备了一种新型多界面复合电催化剂，表示为RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）。在强碱性介质中，RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）在20C时具有出色的HER电催化活性和非常低的过电位（103mV），甚至在90C（102。8mV）下表现出优异的HER性能。最重要的是，模拟氯碱电解条件下的电化学测试表现出比商用20PtC和低碳钢的工业正极材料更好的HER性能。本研究为构建与氯碱工业相匹配的高效稳健的HER电催化剂提供了新的策略和参考。
　　结果与讨论
　　a）RuNiWCNPC电催化剂的制备原理图。b）RuNiWCNPC的典型TEM（插图：粒径分布）和c）HRTEM图像（Ruwt。4。13）。dj）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）纳米颗粒中Ru、Ni、W、N和P的TEMEDS图谱。k）RuNiWC纳米颗粒模型。
　　a）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）电催化剂的x射线衍射图。b）RuNiWCNPC的完整XPS测量谱（Ruwt。4。13）。ch）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）电催化剂各组分的高分辨率XPS谱。
　　RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）表现出由RuNiWC杂化NPs组成的上层结构，平均纳米颗粒直径为6。50。5nm均匀地嵌入在碳层中，同时观察到清晰的RuNi，NiWC和WCRu界面，证实了样品的多界面结构。这种独特的结构可以促进电子和质子在这三个组分之间的转移，从而增强复合材料的内在电化学性能。此外，富缺陷碳物种被RuNiWC杂化纳米粒子覆盖，可作为铠甲在析氢过程中保护电催化剂。
　　性能测试
　　1MKOH（pH14）析氢反应（HER）的电催化性能评价a）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）、20PtC、Ru粉、5RuC、NiWCNPC、RuNPC、RuNiNPC和RuWCNPC电催化剂的LSV曲线。c）Tafel图。d）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）、NiWCNPC、RuNPC、RuNiNPC和RuWCNPC在相同扫描速率为100mVs1时，电位范围为0。90至0。80V（vsAgAgCl）时的CV图；e）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13），NiWCNPC，RuNPC，RuNiNPC和RuWCNPC电催化剂的Nyquist图。f）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）在0。01、0。03、0。05、0。07和0。09V几个过电位下的H2FE图；插图（1）：RuNiWCNPC极化曲线（Ruwt。4。13）及5000循环后耐久性试验；插图（2）：RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）在20mV恒定过电位下75h的it曲线。
　　与其他催化剂相比，RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）具有出色的最佳HER活性，过电位非常低，分别为103mV、5063mV、100113mV和200197mV。RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）电催化剂在50处表现出最高的质量活性（646。18mAmg1）。
　　a）在20至90C的温度下1MKOH中RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）的极化曲线。b）比较在90C下，扫描速率为5mVs1的1MKOH（pH13。87）中RuNiNiWCNPCWCNPCRuNPC、RuNiNPC和RuWCNPC的HER线性扫描伏安法（LSV）曲线。c）90C下相应的Tafel图。d）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）的it曲线在10mV的恒定过电位下在90C下在1MKOH下持续20小时。
　　为保证所制备的电催化剂在氯碱工业高温操作环境（90C左右）中高效稳定地工作，我们深入研究了RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）和各种控制电催化剂在1MKOH中的HER行为的温度依赖性。如图5a所示，随着温度从20C升至90C，RuNiWCNPC的HER活性（Ruwt。4。13）持续增加。
　　a）RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）以3MNaOH3MNaCl为模拟氯碱电解质，2090温度下析氢反应（HER）线性扫描伏安法（LSV）曲线。bd）在3mNaOH3mNaCl条件下，RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）与其他对照催化剂在90条件下的HER极化曲线、相应的Tafel斜率以及不同HER性能参数的比较。e）实验室制作的带有阳离子交换膜的双电池电解槽图片。f）在家用实验室电解槽中，RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）RuO2IrO2包覆ti网与其他对照偶在20时电解氯碱的极化曲线。阴极和阳极分别填充3mNaOH3mNaCl（水溶液）和饱和NaCl水溶液。
　　在高温（约90C）下，在3MNaOH和3MNaCl（水溶液，pH14。25）的混合电解质中进一步研究了RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）的HER活性，作为氯碱电解的模拟。在氯碱工业的工作温度（90C）下，RuNiWCNPC（Ruwt。4。13）催化剂只需要10、68和99mV的过电位即可分别实现10、50和100mAcm2的电流密度，小于商用20PtC（25，109，196mV）和工业低碳钢（92，297，350mV），具有相同的过电位（图6b）。
　　结论
　　本工作成功制备了一种新型的多界面RuNiWCNPC。具有4。13Ru质量负载的合成RuNiWCNPC在1MKOH中表现出卓越的HER性能，具有非常低的10（3mV），巨大的质量活度在50mV的过电位下为646。18mAmg1，小的Tafel斜率（33。4mVdec1），高交换电流密度（8。90mAcm2），接近100法拉第效率（99。700。20），优异的耐久性和75h的长期稳定性，在90C（102。8mV，Tafel斜率30。1mVdec1）下具有更好的电化学性能，优于20PtC。在模拟氯碱情况（3MNaOH3MNaCl，90C的混合物）下进一步证明了RuNiWCNPC的高HER电催化活性（Ruwt。4。13），这与我们的理论预测结果一致。本研究不仅促进了能耗较低的高效制氢和氯碱制的发展，而且为理解强碱度和高温对电催化性能的影响提供了参考。
　　参考文献
　　Salah，A。，Zhang，L。N。，Tan，H。Q。，Yu，F。Y。，Lang，Z。L。，AlAnsi，N。，Li，Y。G。，AdvancedRuNiWCNPCMultiInterfacialElectrocatalystforEfficientSustainableHydrogenandChlorAlkaliCoProduction。Adv。EnergyMater。2022，12，2200332。https：doi。org10。1002aenm。202200332