分析测试中心助力我校崔浩团队发现稳定高效析氧催化剂—富晶界超薄多孔RuO2纳米片

       二氧化铱（IrO2）因其具有较好的活性与稳定性，是目前工业上唯一的酸性析氧反应（OER）催化剂，但价格昂贵、储量稀少和活性低等问题限制了它的使用。相比之下，RuO2成本更低，活性相对IrO2更高，是一种很有前途的替代材料。然而，如何令RuO2在极端酸性条件下保持高活性和稳定性仍然是一个重大挑战。

       近日，中山大学材料科学与工程学院崔浩教授课题组，提出了一种晶界工程（grain boundary engineering），制备了一种具有丰富晶界的超薄多孔RuO2纳米片（GB-RuO2，图1），并将其用于高效酸性OER催化。晶界的参与产生了显著的拉应力并创造了不饱和的配位环境，有效优化了OER过程中中间体的吸附并稳定了活性位点结构。GB-RuO2不仅表现出低过电势（η10=187mV）和超低塔菲尔斜率（34.5mV dec-1），而且在 0.1M HClO4中稳定运行超过 550小时。准原位/原位方法证实，稳定性的提高是因为晶界有效防止了Ru的溶解，极大地抑制了晶格氧化机制 (lattice oxygen oxidation mechanism)。以 GB-RuO2催化剂为阳极的质子交换膜水电解槽（proton exchange membrane water electrolysis）在 2A cm-2 下运行电压仅为1.669V，并在 100mA cm-2的电流密度下可以稳定运行100小时。该晶界工程的提出可在不额外引入原子的基础上，提高催化剂的活性和稳定，对今后单金属催化剂的设计和制备具有重要意义。

图1：GB-RuO2纳米片的合成示意图和该材料的TEM表征（详见原文Figure 1）

       该研究中，作者团队利用分析测试中心材料微区分析平台的300kV场发射透射电镜（TEM, FEI Tecnai G2 F30）和多功能光电子能谱仪（XPS, ThermoFisher ESCALAB Xi+）对富含晶界的RuO2纳米片（GB-RuO2）形貌、结构与化学状态进行表征（图1、图2）。XPS 机组与TEM机组为GB-RuO2纳米片的特殊晶格结构和电子结构的发现提供重要支撑。

图2：GB-RuO2纳米片的XPS表征（详见原文Figure 2）

       值得一提的是，本文第一作者何炜东博士参加了分析测试中心透射电镜F30自主操作培训，学习了高技能要求的高分辨图像拍摄、选区电子衍射、以及能谱元素分布等TEM相关技术细节。本文四作肖宇航同学参加了分析测试中心光电子能谱分析技术培训。通过自主操作利用所学的技术完成了本文的相关实验，为此，作者团队在论文中对相关机组进行了致谢（图3）。

图3：论文致谢

       该研究成果以“Grain-Boundary-Rich RuO2 Porous Nanosheet for Efficient and Stable Acidic Water Oxidation”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。我校材料科学与工程学院博士生何炜东为第一作者，材料科学与工程学院崔浩教授与王成新教授为共同通讯作者。

论文题目

Grain-Boundary-Rich RuO2 Porous Nanosheet for Efficient and Stable Acidic Water Oxidation

发表期刊

《Angewandte Chemie International Edition》

支撑仪器

300kV场发射透射电镜（TEM, FEI Tecnai G2 F30）

多功能光电子能谱仪(XPS, ThermoFisher ESCALAB Xi+)

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202405798