第一作者：Juan Wang

通讯作者：Yong Xu; Xiaoqing Huang

通讯单位：广州工业大学，厦门大学

研究内容：

实现稳定高效的整体水裂解对于可持续高效的制氢是非常理想的，但由于电催化剂在酸性析氧过程中快速失活，具有挑战性。在这里，作者报道了具有间隙C的单原子铂掺杂在RuO₂空心纳米球(SS Pt-RuO₂ HNSs)催化剂，在0.5 M硫酸中整体水分裂中可以作为高活性和稳定的电催化剂。整体水裂解的性能已经超过了大多数报道的催化剂。令人印象深刻的是，SS Pt-RuO₂ HNSs在连续运行100小时的100mA cm⁻²的聚合物电解质膜电解槽中表现出良好的稳定性。实验表明，间隙C可以延长Ru-O和Pt-O键，而SS Pt的存在可以很容易地改变RuO₂的电子性质，并通过降低能垒和提高*O物种的解离能来提高OER活性。

要点一：

    尽管RuO₂和IrO₂在酸性OER中得到了广泛的应用，但与IrO₂相比，RuO₂因其价格更低、活性更强，一直被认为是一种很有前途的酸性OER催化剂。然而，RuO₂在高电势值下的酸性介质中稳定性较差。在过去的几十年里，人们一直致力于对RuO₂的修饰，以提高其对酸性OER的稳定性。在这里，作者报道了单位点Pt掺杂RuO₂空心纳米球(SS Pt-RuO₂ HNSs)作为高性能电催化剂用于整体酸性水裂解，其中间隙C被锚定间隙中，而Pt取代了单位点的部分Ru位点。特别是，当SS Pt-RuO₂ HNSs用作催化剂水分裂0.5M硫酸，在电流密度为10、50和100mA cm⁻²所需的电压低至1.49、1.59和1.65V，催化性能已经超过了大多数报道的催化剂整体水分裂。

要点二：

在采用标准三电极体系的0.5M硫酸溶液中，评价了各种催化剂的OER和HER性能。SS Pt-RuO₂ HNSs在电流密度分别为10、50和100mA cm⁻²显示过电位为228、262和282mV，与商业RuO₂、RuO₂ HNSs相比，SS Pt-RuO₂ HNSs的Tafel斜率最小，反应动力学最快。SS Pt-RuO₂ HNSs||SS Pt-RuO₂ HNSs显示高稳定性，在超过100小时的电流密度100mA cm⁻²没有显著电压增加，表明SSPt-RuO2HNSs在实际应用的巨大潜力。

图1. 形态学和结构特征。SS Pt-RuO₂ HNSs的(A)HAADF-STEM图像、(B)TEM图像、(C)XRD图谱和(D)高分辨率HAADF-STEM图像。(E)从(D).中用红色矩形突出显示的区域获得的高分辨率HAADF-STEM图像(F)SS Pt-RuO₂ HNSs|的FFT图和(G)晶体结构模型。（H至J）从(E)中用白线突出显示的区域获得的线扫描强度轮廓。(K)SS Pt-RuO₂ HNSs|的STEM图像和STEM-EDS元素绘图图像。

图2. 电化学OER和HER的研究。SS Pt-RuO₂ HNSs、RuO₂ HNSs和商业RuO₂的(A)OER极化曲线和(B)对应的Tafel斜率。不同催化剂在10mA cm⁻²处的过电位和Tafel斜率的(C)直方图。(D)HER极化曲线和(E)SS Pt-RuO₂ HNSs、RuO₂ HNSs和商业Pt/C对应的Tafel斜率。(F)各种催化剂在10mA cm⁻²处的过电位和Tafel斜率的直方图。(G)SS Pt-RuO₂ HNSs在（橙色）前和（绿色）1000个CV循环后的OER和HER极化曲线。(H)在10mA cm⁻²下，0.5M硫酸中SS Pt-RuO₂ HNS对OER和HER的时间电位测量试验。

图3. 整体水裂解的催化性能。采用SS Pt-RuO₂ HNSs作为阳极和阴极催化剂的双电极电池电解槽的(A)方案。SS Pt-RuO₂ HNSs||SS Pt-RuO₂ HNSs和商用RuO₂||Pt/C在0.5M硫酸中水分裂的(B)极化曲线。(C)SS Pt-RuO₂ HNSs||SS Pt-RuO₂ HNSs和商业RuO₂||Pt/C在10mA cm⁻²下的计时测量试验。(DSS Pt-RuO₂ HNSs与其他报道的酸性介质中水裂解催化剂的电压和稳定性的比较。(E)PEM电解槽的示意图。(F)PEM电解槽中SS Pt-RuO₂ HNSs||SS Pt-RuO₂ HNSs的时时电势试验。

图4. 催化剂的结构分析。SS Pt-RuO₂ HNSs、PtO2和Pt箔的(A)Pt L₃边XANES和(B))Pt L₃边EXAFS光谱。SS Pt-RuO₂ HNSs、SeO₂和Se网格的(C)Se k边XANES光谱。SS Pt-RuO₂ HNSs、商用RuO₂和Ru箔的(D)Ru k边XANES和(E)Ru k边EXAFS光谱。(F)SS Pt-RuO₂ HNSs和商用RuO₂的O k边XANES谱。(G)SS Pt-RuO₂ HNSs和(H)商业RuO₂的Ru k边EXAFS数据的小波变换。（I）SS Pt-RuO₂ HNSs的结构示意图。

图5.DFT的计算。(A)*O在RuO₂和Pt-RuO₂中的解离能。(B)分别在0和1.23V(RHE)的过电位作用下，RuO₂和SS Pt-RuO₂ HNSs上的OER过程的自由能分布。(C)Pt-RuO₂中原子的Bader电荷数。请注意，负值是指失去的电子，而正值主要是为了获得电子。(D)Pt-RuO₂中表面Ru原子的四维轨道的PDOS。(ESS Pt-RuO₂ HNSs上酸性OER的机理示意图。

参考文献：

 Juan W, Hao Y, Fan L, et al. Single-site Pt-doped RuO₂ hollow nanospheres with interstitial C for high-performance acidic overall water splitting[J]. Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.abl9271