Appl. Catal. B: E 偏磷酸镍负载钌在全pH值下析氢

能源学报

标题：Nickel metaphosphate supported ruthenium for all pH hydrogen evolution:
From single atom, cluster to nanoparticle

第一作者：Dewen Wang

通讯作者：Jingxiang Zhao, Weitao Zheng, 和Xiaoqiang Cui

研究内容

单原子催化剂因其独特的性能和较高的原子利用率而受到广泛关注。本文发现偏磷酸镍（NPO）支持的纳米颗粒（Ru_n）在所有pH值的析氢过程中比单个原子（Ru_s）要好得多。在碱性介质中Ru_n-NPO的质量活性是Ru_s-NPO的3.8倍，是Pt/C的21.4倍。结果表明，Ru纳米粒子具有较低的价态，具有最佳的Ru-H键强度和合适的氢吸附自由能。NPO作为一种新型载体，对Ru的牢固锚定和传输电子优化d带中心，最终在速率限制的Volmer步骤中加速H₂O的解离也至关重要。这项工作为Ru-NPO的实际制氢提供了巨大的潜力，并为能量转换相关领域的负载型金属催化剂的探索提供了参考。

要点一：

开发了一种新型三维多孔偏磷酸镍[Ni₂(PO₃)₄]（记为NPO）作为HER Ru催化剂的载体。利用Ru_s、Ru团簇（Ru_c）和Ru_n在NPO上可控合成，以揭示Ru大小对HER活性的影响。

要点二：

在Ru-NPO系统中，Ru_n的HER活性优于Ru_s。粒径较大的Ru_n比Ru_s和Ru_c具有更低的配价（+1.38）和最优的Ru-H键强度，具有更合适的氢吸附自由能（ΔG_H*）。

要点三：

Ru_n-NPO在10 mA cm⁻²处表现出小过电位（酸性介质23.3 mV，中性介质35.4 mV，碱性介质35.9 mV）。Ru_n-NPO在碱性介质下的质量活性（MA）和性价比（PA）分别是20% Pt/C催化剂的21.4倍和85.6倍。

图1. NPO和NPO负载的Ru催化剂的结构示意图，单原子，团簇和纳米颗粒具有相应的HER活性。

图2.催化剂的结构表征。

图3. pH=0条件下催化剂的性能表征和DFT计算。

图4.不同pH条件下催化剂的性能表征。

图5. DFT计算。

参考文献

Dewen Wang, Dongxu Jiao, Ming Gong, Huafeng Fan, Yuting Chen, Lezhi Wang, Jinchang Fan, Jiandong Wu, David J. Singh, Jingxiang Zhao, Weitao Zheng, Xiaoqiang Cui, Nickel metaphosphate supported ruthenium for all pH hydrogen evolution: From single atom, cluster to nanoparticle. Applied Catalysis B: Environmental 325 (2023) 122331

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322012723

DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122331

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