隨著人們對生活品質(zhì)要求的大幅提高以及國家層面能源政策的調(diào)整，可再生能源將會在可見的未來扮演極其重要的角色。然而，可再生能源存在間歇性問題，例如太陽能受到晝夜變化、陰雨天氣的限制，風(fēng)能受到氣候以及風(fēng)速不穩(wěn)的影響，因此，需要大力探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中，電催化制氫氣技術(shù)是目前最優(yōu)的方案之一。根據(jù)電解質(zhì)的不同，可分為堿性電催化制氫和酸性電催化制氫。對于堿性電催化制氫，難點(diǎn)是陰極上的析氫，而對于酸性電催化制氫，難點(diǎn)是陽極上的析氧。

近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源所研究員陳亮團(tuán)隊(duì)針對以上所述的兩個(gè)電催化制氫難題，通過實(shí)驗(yàn)與理論的有效結(jié)合開展研究。其中，博士研究生葛瑞翔通過簡單的浸漬涂覆和低溫磷化的方法，選擇性地制備得到了碳布負(fù)載的磷化釕納米顆粒薄膜（RuP/CC）。在堿性溶液中，這種新型析氫催化劑電極輸出10mAcm-2電流密度時(shí)僅需要13mV的過電勢，是目前析氫活性最好的催化劑之一。理論計(jì)算證明RuP的優(yōu)秀活性來源于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)：與RuP2相比，RuP的Ru位點(diǎn)上電子密度更高，增強(qiáng)了RuP對溶液中質(zhì)子的吸附強(qiáng)度，因此具有更好的析氫活性(Nanoscale,2018,10,13930)。蘇建偉以Ru陽離子交換后的金屬有機(jī)框架衍生物作為前驅(qū)體，在空氣中焙燒制備了由超小納米晶粒組裝而成的Cu摻雜的RuO2空心八面體材料。在10mAcm-2電流密度下，其過電位僅為188mV，表現(xiàn)出比商用RuO2電催化劑更優(yōu)異的電催化析氧活性和穩(wěn)定性。密度泛函理論模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，高能面上的三配位Ru原子在反應(yīng)過程逐步被氧化從而大幅度降低OER的反應(yīng)能壘，同時(shí)Cu摻雜可以調(diào)整RuO2的電子結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高其OER催化活性(AdvancedMaterials,2018,30,1801351)。

最近，林貽超基于Cr基金屬有機(jī)框架材料，通過吸附RuCl3前驅(qū)體、退火等手段成功制備出新型CrO2-RuO2固溶體材料。通過PXRD晶修、Vegard’law驗(yàn)證等技術(shù)確定了CrO2-RuO2固溶體的結(jié)構(gòu)，并通過原子分辨球差電鏡直接觀察到Cr、Ru原子均勻分布于同一個(gè)納米單晶中。該材料在10mAcm-2電流密度下，其過電位僅為178mV，并且經(jīng)過10000次循環(huán)后，過電位僅升高了11mV，遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)RuO2。通過同步輻射近邊吸收測試發(fā)現(xiàn)Ru原子在晶體結(jié)構(gòu)中由于4價(jià)Cr的強(qiáng)吸電子作用，價(jià)態(tài)略高于+4價(jià)，并且Ru-O的鍵長變短。田子奇通過密度泛函模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，正是由于晶格中+4價(jià)Cr的吸電子作用導(dǎo)致Ru的催化活性變高，降低了反應(yīng)能壘。此外，值得注意的是，該固溶體材料中貴金屬Ru的含量僅占40%，可顯著降低催化劑的成本。該工作近日以Chromium-rutheniumoxidesolidsolutionelectrocatalystforhighlyefficientoxygenevolutionreactioninacidicmedia為題發(fā)表在《自然-通訊》（NatureCommunications，DOI:10.1038/s41467-018-08144-3）上。林貽超與田子奇為論文共同第一作者，陳亮為論文通訊作者。

上述工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金委面上與青年項(xiàng)目以及寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等的大力支持，相關(guān)同步輻射實(shí)驗(yàn)也得到中科院上海應(yīng)用物理研究所與上海光源的大力支持。