Nat. Commun.：无定型纳米棒提升电催化水分解

为满足可再生能源的高需求，设计高效、经济的电化学能源转化催化剂实现电催化分解水是一种有效且经济的技术，但是由于缓慢的OER动力学过程，在很大程度上阻碍了电催化全分解水的应用化进程。因此，发展高效的OER电催化剂，进一步降低电极过电势，将是科学界持续关注的发展重点。过渡金属基碲化物通常具有较低的电阻和较高的机械稳定性，被认为是有前途的电催化剂。虽然各种碲化物纳米材料的合成方法已经被陆续报道，然而相对于目前广泛报道的结晶型过渡金属催化剂来说，无定形的电催化剂因其突出的催化性能而逐渐受到关注。然而，制备无定形催化剂的方法研究相对缓慢，而且实现精准调控的无定形结构以及其在催化反应中的作用仍然需要进一步深入的探索。

近期，香港理工大学的黄勃龙教授（点击查看介绍）团队与苏州大学黄小青教授（点击查看介绍）团队合作，通过DFT理论计算成功发现了无定型RuTe₂结构相较于晶态RuTe₂具有很强的电催化活性，然后通过水热法控制合成了无定型的RuTe₂无定型纳米棒，在全pH情况下均具有较好的OER、HER催化表现。

图1. 无定型RuTe₂ 与晶态RuTe₂的电子结构对比。

DFT通过比较无定型结构与晶态结构发现，Te在无定型结构中具有更加灵活的配位环境并具有对于O-2p轨道的高敏感度，从而能够快速促进水分解。无定型结构具有的更强的扭曲应力作用从而敏化了Te-Te之间的pπ轨道耦合能力并且解封了难以实现的p-d电子耦合从而极大地促进了材料电活性。与此同时，相对于晶态RuTe₂中明显的bandgap，无定型的RuTe₂在费米能级附近不仅具有很高的电子密度，并且没有bandgap，证明了高效的d-d电子传输，和Ru位点的电子转移能力的提高，为OER的优异表现奠定了良好的电子结构基础。

图2. 无定型RuTe₂全水解反应路径能量图。

最终通过DFT计算，发现在酸性碱性环境中均具有较低的过电势，验证了优良的电子结构奠定了高效OER。

图3. 无定型RuTe₂纳米棒的合成。

在DFT计算基础上，无定型RuTe₂纳米棒的合成通过水热法实现，并且通过EDS、ICP等表征手段证明了Ru与Te在纳米棒中的均匀分布以及相互的比例关系。XRD与HAADF-STEM、TEM等一系列结构表征手段也进一步证实了该材料的结构无定型特征。

图4. 无定型RuTe₂纳米棒在不同电介质中的水分解性能。

图5. 无定型RuTe₂纳米棒在全水分解电池中的性能与稳定性比较。

在不同电解质情况下，无定型RuTe₂纳米棒均表现出了较好的OER活性。在酸性0.5 M H₂SO₄环境中，在10 mA cm^-2 下的OER的过电势仅为245 mV，优于晶态的RuTe₂。在碱性条件下，OER的过电势为285 mV，不仅远远低于晶态RuTe₂还与DFT所计算的过电势十分接近。对于全电解水反应，无定型RuTe₂纳米棒同样表现出了较好的OER与HER性能。这样的性能同样通过了双电极电池装置中得到了验证。该电池装置仅需要1.52 V电压即可达到10 mA cm^-2的电流密度。并且无定型结构在稳定性测试后也仍然能够较好地保持。

该研究工作对无定形过渡金属碲化物的精准合成及催化机理进行了深入阐述，为未来制备无定形金属碲化物全水解催化剂的合成与研究提供了新思路。相关结果发表Nature Communications 上，文章的第一作者是苏州大学博士生Wang Juan与加州大学尔湾分校的Han Lili, 通讯作者为香港理工大学黄勃龙教授与苏州大学黄小青教授，合作团队为加州大学尔湾分校的Huolin L. Xin教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Amorphization activated ruthenium-tellurium nanorods for efficient water splitting

Juan Wang, Lili Han, Bolong Huang, Qi Shao, Huolin L. Xin, Xiaoqing Huang

Nat. Commun., 2019, 10, 5692, DOI: 10.1038/s41467-019-13519-1

导师介绍

黄勃龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/65818

黄小青

https://www.x-mol.com/university/faculty/12831