第一作者：Jie Tang

通讯作者：Jinhua Chen

通讯单位：湖南大学

研究内容：

作为电解水制氢的研究热点，探索高效、稳定、低成本的析氢催化剂对大规模电解水的发展具有重要意义，但仍面临巨大挑战，尤其是在碱性和酸性条件下。在此，通过简单的一步热还原法，非晶态RuB_x和晶态Ru纳米粒子成功集成到由ZIF-8衍生的B/ N掺杂多孔碳多面体中，得到的复合催化剂(RuB_x-Ru@BNPCH)在碱性和酸性介质中均表现出良好的催化活性和稳定的析氢反应。在碱性介质中，RuB_x-Ru@BNPCH的电流密度分别为10、50和100 mA cm^-2过电位分别为5、31和53 mV，远低于商用Pt/C催化剂和大多数报道的析氢催化剂。更重要的是，在过电位为114 mV的情况下，RuB_x-Ru@BNPCH上可获得300 mA cm^-2的大电流密度，这对工业上实施电解水具有重要意义。此外，在酸性介质(0.5 M H₂SO₄)中，RuB_x Ru@BNPCH也表现出类Pt的活性(10 mA cm^-2下过电位为33 mV)和良好的稳定性。该工作探索了一种构建高效电催化非晶/晶型催化剂的简便途径，可应用于广泛的催化过程。

要点一：

本文以沸石咪唑酸框架-8(ZIF-8)衍生的N负载的多孔碳多面体(NPCH)为模板，采用N和B支撑的非晶态RuB_x和Ru纳米颗粒的复合催化剂，通过简单的双溶剂吸附工艺和随后的一步热还原法制备了一种B/N掺杂的多孔碳多面体(BNPCH)， B与Ru的相互作用以及B的空位2pz轨道与C-π体系的共轭都导致了B的电负性较低，从而使Ru原子周围的电子密度变得较高，有利于析氢反应。

要点二：

通过B/N掺杂碳多面体的多孔结构、非晶态RuB_x的大量暴露的活性位点以及Ru纳米颗粒之间的协同作用，与Ru@BNPCH相比，制备的RuBx-Ru@BNPCH催化剂显著提高了RER电催化活性，在碱性和酸性介质中，甚至优于或相当于Pt/C催化剂。

示意图1. RuB_x-Ru@BNPCH的合成工艺示意图。

图1. (a)ZIF-8 (b)NPCH (c)Ru@NPCH和 (d)RuB_x-Ru@BNPCH的SEM图像。

图2. (a和b)Ru@NPCH和(c和d)RuBx-Rux@BNPCH的TEM和HRTEM图像(插图对应于黄色圆圈的FFT模式)；(e)RuB_x-Ru@BNPCH的C、N、B和Ru的EDS元素映射。

图3.用于RuB_x-Ru@BNPCH的XPS测量光谱(RuB_x-Ru@BNPCH (a)、Ru@NPCH (b))、Ru 3p高分辨光谱(RuBx-Ru@BNPCH (c)、Ru@NPCH (d))、B1s (e)、N1s (f)高分辨光谱。

图4. RuB_x-Ru@BNPCH、Ru@NPCH、BNPCH和Pt/C在1.0M氢氧化钾溶液中的(a)极化曲线。(b)放大了的(a)。 (c) RuB_x-Ru@BNPCH，Ru@NPCH和Pt/C在电流密度下为10、50和100mA cm^-2处的过电位。由(a)中的极化曲线得到的(d)Tafel图(e)电容式电流，根据扫描速率和估计的C_dl值 通过对图的线性拟合。(f)在0.01-105Hz的频率范围内采集的RuB_x-Ru@BNPCH、Ru@NPCH和Pt/C的电化学阻抗谱(EIS)。

图5. RuB_x-Ru@BNPCH在1.0M氢氧化钾溶液中进行1000个CV循环前后的(a)极化曲线。(b)RuBx-Ru@BNPCH在恒流密度为10、50和100mAcm^-2下的电势曲线。

图6. RuB_x-Ru@BNPCH、Ru@NPCH和Pt/C在0.5M硫酸溶液中的(a)极化曲线。(b)Tafel图 (c)极化曲线，在0.5M硫酸溶液中进行1000次CV循环。

参考文献：

Tang J, Wang B, Zhang Y, et al. One-step integration of amorphous RuBx and crystalline Ru nanoparticles into B/N-doped porous carbon polyhedra for robust electrocatalytic activity towards the HER in both acidic and basic media [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10 (8):4181.