博士生蒋睿在Applied Catalysis B: Environmental发表论文：Non-equilibrium synthesis of stacking faults-abundant Ru nanoparticles towards electrocatalytic water splitting

博士生蒋睿以快速焦耳热为基础，提出了一种在液氮中进行的纳米材料超快合成策略。基于此方法制备的富层错Ru纳米颗粒在酸性条件下具有优异的OER催化活性焦和稳定性。利用缺陷工程解决了传统Ru基催化剂在酸性高电位条件下易溶解的关键科学问题。研究成果以“Non-equilibrium synthesis of stacking faults-abundant Ru nanoparticles towards electrocatalytic water splitting”为题与2022年6月发表于《Applied Catalysis B: Environmental》。

论文摘要：具有多维缺陷的金属纳米材料有望用于电催化，而探索合成这种具有独特结构的材料的简便方法仍然具有挑战性。在这里，我们首先合成了具有丰富层错（SFs）的Ru纳米颗粒，将超快加热与快速淬火相结合。在SFs区，完全六边形的密堆积平面部分转变为面心立方。在10 mA/cm₂电流密度下，需要196 mV和35 mV来驱动析氢反应和析氧反应，显著加快了酸中1.51 V的总水分解。理论计算表明，该性能源于SF和诱导的连续应变场的协同效应，其中主导的压缩应变减弱了Ru位点的晶场分裂效应，从而增强了Ru位的电子转移。优异的轨道间p-d转移决定了增强OER性能的强电子活动。这项工作为具有缺陷结构的催化剂的合理设计提供了见解。

图1. 非平衡的超快合成策略制备富缺陷Ru纳米颗粒示意图

图2. 富缺陷Ru纳米颗粒与少缺陷Ru纳米颗粒的HAADF图像及其应变分布对比

主要结论：

1.  Ru在酸性OER过程中决速步骤为水二次脱氢（M-O到M-OOH）的过程，该过程反应能垒最高。

2.  在无应变状态下，层错缺陷界面上的原子具有最低的反应能垒（SF-fcc2.5eV<SF-hcp2.85eV<fcc3.27eV<hcp3.68eV)。得到结论：不考虑应变效应，层错结构本身有利于提高酸性OER催化活性。

3.  在四个位点中，压应变带来的应变效应有利于降低OER过程中水的二次脱氢步骤的反应能垒。值得注意的是，结合DOS分析，hcp结构对应变效应更为敏感，因此其能垒也下降的最多。

4.  综上，优异的酸性OER催化活性来源于层错缺陷本身和其诱导下的压应变场的共同作用。