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?中科大陳維AM：超快電脈沖合成高活性超工業(yè)級氫氣電池電催化劑

時間：2023-06-09 來源： 瀏覽：

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高可靠性和超長壽命使水-氫氣（H 2 ）電池成為大規(guī)模儲能的理想選擇，但Pt催化劑的堿性析氫和氧化反應(yīng)（HER/HOR）活性較低，嚴重阻礙了其在H 2 電池中的廣泛應(yīng)用。
基于此， 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳維教授等人 報道了以超快電脈沖方法，制備了一種由炭黑負載釕鎳合金納米顆粒（RuNi/C）的高活性電催化劑，用于鎳-氫氣（Ni-H 2 ）電池。
RuNi/C催化劑在50 mV時具有2.34 A mg ?1 的超高HOR質(zhì)量活性，在電流密度為10 mA cm ?2 時具有19.5 mV的HER過電位。Ni-H 2 (RuNi)電池還可在-25 °C至+50 °C下高效運行，在5-50 mA cm ?2 的電流密度下，在1500次循環(huán)后，容量和效率衰減可以忽略不計。
需注意，Ni-H 2 (RuNi)電池在280 mg cm -2 （60 mAh cm -2 ）的超高正極Ni(OH) 2 負載和62.5 μg cm -2 的低負極Ru負載下實現(xiàn)了高達183 Wh kg -1 的電池級能量密度。
通過DFT計算，作者模擬了Ru(101)和RuNi(101)對HER/HOR的反應(yīng)途徑。首先研究了HER對H 2 O的吸附，相應(yīng)的差分電荷密度填色優(yōu)化構(gòu)型如圖所示。
Ru(101)和RuNi(101)的表面邊緣Ru原子被識別為H 2 O的吸附位點，水吸附后Ru(101)和RuNi(101)的邊緣Ru原子發(fā)生了明顯的電子相互作用和電子重排。化學(xué)吸附后的H 2 O分子被活化，H-O鍵長度增加，H 2 O的偏態(tài)密度（PDOS）發(fā)生變化。
此外，作者計算得到的自由能圖，包括H 2 O吸附、H 2 O解離、氫氣吸附和氫氣生成，以進一步了解Ru和RuNi催化劑在堿性HER/HOR可逆性上的差異。在可逆HER/HOR過程中，自由能爬升最高的步驟被認為是速率決定步驟（RDS）。
RuNi(101)將HER中*OH的解吸步驟確定為RDS，其自由能爬升為0.41 eV，這是Volmer過程的最后一步。Ru(101)在HER過程中*OH的解吸也是RDS，比RuNi(101)困難得多，其自由能爬升更高，為0.71 eV。結(jié)果表明，從熱力學(xué)的角度來看，RuNi(101)可實現(xiàn)更好的可逆堿性HER/HOR性能。
Ultrafast Electrical Pulse Synthesis of Highly Active Electrocatalysts for Beyond-industrial-level Hydrogen Gas Batteries. Adv. Mater., 2023 , DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300502.

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