催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (1): 130-138.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63856-1

• 论文 • 上一篇    下一篇

解耦质子-电子传输促进Ru-Pb二元电催化剂上的OER动力学

黄睿, 温蕴周, 彭慧胜, 张波*()   

  1. 复旦大学高分子科学系, 聚合物分子工程国家重点实验室, 上海200438
  • 收稿日期:2021-05-28 接受日期:2021-06-02 出版日期:2022-01-18 发布日期:2021-06-09
  • 通讯作者: 张波
  • 作者简介:第一联系人:

    共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21875042);国家自然科学基金(21634003);国家自然科学基金(51573027);中华人民共和国科技部研发项目(2016YFA0203302);上海市科技委(18QA140080);上海市科技委(16JC1400702);上海市“东方学者”岗位计划

Improved kinetics of OER on Ru-Pb binary electrocatalyst by decoupling proton-electron transfer

Rui Huang, Yunzhou Wen, Huisheng Peng, Bo Zhang*()   

  1. State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Department of Macromolecular Science, Fudan University, Shanghai 200438, China
  • Received:2021-05-28 Accepted:2021-06-02 Online:2022-01-18 Published:2021-06-09
  • Contact: Bo Zhang
  • About author:* Tel: +86-21-31242803; E-mail: bozhang@fudan.edu.cn
    First author contact:

    Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21875042);National Natural Science Foundation of China(21634003);National Natural Science Foundation of China(51573027);Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China(2016YFA0203302);Shanghai Municipal Committee of Science and Technology(18QA140080);Shanghai Municipal Committee of Science and Technology(16JC1400702);Program for Eastern Scholars at Shanghai Institutions

摘要:

开发酸性条件下的析氧反应(OER)电催化剂是质子交换膜(PEM)电解水技术的核心问题. Ru基催化剂作为酸性OER中的基准催化剂, 其OER活性被传统的协同质子-电子转移过程带来的比例关系所限制, 仍然存在动力学迟缓的问题. 基于荷电表面可能有利于加速OER动力学的认识, 本文将具有赝电容性质的元素Pb加入Ru基催化剂中以提升OER活性. 本文采用一种改进的溶胶-凝胶法制备得到RuPbOx电催化剂, 用于酸性条件下高效和稳定的水氧化. 高分辨透射电镜及X射线吸收谱结果表明, RuPbOx催化剂为约10 nm颗粒, Ru、Pb和O原子均匀分布在催化剂中, 形成原子级的混合. 电化学测试结果表明, 该催化剂达到10 mA cm-2的过电位仅需191 ± 3 mV, 相比于商业纳米RuO2提升了94 mV. 该催化剂的质量比活性及转化频率(TOF)相较于RuO2提高了20倍. 经过电化学活性面积(ECSA)归一化的OER电流也显著提升, 表明Pb掺杂后提高了催化剂的本征活性. Tafel动力学研究结果表明, RuPbOx的Tafel斜率为39 mV dec-1, 而RuO2的为63 mV dec-1, 表明RuPbOx与RuO2决速步骤不同. 该RuPbOx催化剂还表现出较好的稳定性, 在10 mA cm-2电流密度下连续电解100 h后过电位仅提升85 mV. 将该催化剂应用在工业条件(80oC)下的质子交换膜(PEM)电解装置中, 到达1 A cm-2电流密度时全电池电压仅需2 V.
使用X射线光电子能谱(XPS)、电化学分析以及原位拉曼光谱研究了催化剂表面的化学状态. 脉冲伏安法研究表明, Pb掺杂后的催化剂具有更强的荷电能力. O 1s XPS结果表明, 反应后RuPbOx表面被更多活性氧物种覆盖. 电化学原位拉曼光谱研究表明, 在约1158 cm-1出现了超氧根物种的伸缩振动峰, 随着电势的增加, 超氧根物种逐渐消耗并释放出氧气. 基于以上实验结果认为, RuPbOx催化剂在OER过程中可能经历了一个与RuO2不同的非协同质子-电子传输路径. RuPbOx的OER活性也表现出了pH相关性, 进一步证明了非协同质子-电子转移的发生. 原子级的Pb掺杂可以调控金红石氧化钌的局域微结构, 增加了催化剂表面的电容性荷电能力. 这种强荷电的表面可以促进含氧中间体的去质子化并稳定带电的OER前驱物(例如超氧根离子), 从而将质子-电子转移过程解耦, 打破比例关系的限制, 提升OER活性.

关键词: 电催化, 酸性析氧反应, 氧化钌, 原位拉曼, 质子-电子转移

Abstract:

The acidic oxygen evolution reaction (OER) is central to water electrolysis using proton-exchange membranes. However, even as benchmark catalysts in the acidic OER, Ru-based catalysts still suffer from sluggish kinetics owing to the scaling relationship that arises from the traditional concerted proton-electron transfer (CPET) process. Motivated by the knowledge that a charged surface may be favorable for accelerating the OER kinetics, we posited the incorporation of elements with pseudocapacitive properties into Ru-based catalysts. Herein, we report a RuPbOx electrocatalyst for efficient and stable water oxidation in acid with a low overpotential of 191 mV to reach 10 mA cm-2 and a low Tafel slope of 39 mV dec-1. The combination of electrochemical analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, and in situ Raman spectroscopy demonstrated that the improved OER kinetics was associated with the formation of superoxide precursors on the strongly charged surface after Pb incorporation, indicating a non-concerted proton-electron transfer mechanism for the OER on RuPbOx.

Key words: Electrocatalysis, Acidic oxygen evolution reaction, Ruthenium oxide, In situ Raman, Proton-coupled electron transfer