双功能RuO?/ZnO@rGO电催化剂：用于高效碱性海水电解及太阳能光降解有机污染物

《International Journal of Hydrogen Energy》：Bifunctional RuO 2/ZnO@rGO electrocatalysts for efficient alkaline seawater electrolysis and solar-light degradation of organic pollutants

基于氧化锌和还原石墨烯的钌氧化物复合催化剂在海水制氢和光催化降解中的应用及其机理研究。

　　本文探讨了一种新型的双功能材料，旨在提升海水裂解过程中氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）的效率。由于海水占地球水资源的96.5%，利用其作为原料生产绿色氢气是一种可持续的替代方案。然而，OER的反应机制复杂，涉及多个质子-电子转移过程和强O–O键的断裂，导致反应速率较慢，限制了整体效率。目前，铂（Pt）和铱氧化物（IrO?）是HER和OER的常用催化剂，但其高昂的成本和有限的耐用性阻碍了大规模应用。因此，开发一种成本低、稳定性好且具备双功能特性的电催化剂对于推动海水制氢技术至关重要。

此外，现代工业活动对水体污染的加剧，特别是染料和抗生素的排放，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。这些污染物通常具有高度的稳定性和难以降解的特性，一旦进入水体，将对环境造成长期影响。为了解决这一问题，半导体基的光催化技术被广泛研究，其利用太阳光激发电子-空穴对，进而驱动污染物的降解。然而，光催化剂的性能往往受限于其自身的电子传输效率和活性位点的分布。因此，开发高效且经济的太阳能驱动光催化剂对于环境治理具有重要意义。

研究团队通过溶胶-凝胶法和水热法合成了一系列材料，包括纯ZnO、ZnO/还原氧化石墨烯（rGO）复合材料（ZnO@rGO）以及不同RuO?含量的RuO?/ZnO@rGO复合材料（RZR）。实验结果显示，3-RZR复合材料在镍泡沫（NF）基底上表现出卓越的双功能催化性能。在10 mA/cm2的电流密度下，其OER和HER的过电位分别为176 mV和67 mV，显著优于IrO?@NF催化剂，接近铂碳（Pt/C）@NF的基准性能。同时，该催化剂在70小时的长时间运行中表现出良好的稳定性，电流波动较小，表明其具备较强的抗降解能力。

在实际应用中，由3-RZR@NF构成的电解槽在碱性海水中实现了高效的水分解，仅需1.47 V的电压即可达到10 mA/cm2的电流密度，远低于传统Pt/C@NF||IrO?@NF电解槽所需的电压。这一结果不仅意味着更高的能量转换效率，还降低了制氢过程的能耗。此外，3-RZR@NF电解槽在HER和OER中分别实现了约91%和89%的法拉第效率，表明其能够高效地将水分解为氢气和氧气，同时有效抑制了次氯酸盐的生成，进一步提升了安全性。

在光催化方面，3-RZR复合材料在阳光照射下对亚甲基蓝（MB）和四环素（TC）的降解效果显著。实验表明，3-RZR能够实现MB的几乎完全降解，并对TC的去除率达到93%。这一性能优势主要归因于其结构中RuO?、ZnO和rGO之间的协同作用。RuO?作为OER的高效催化剂，其在复合材料中的引入提高了反应活性；ZnO则因其良好的电子传输性能和较大的比表面积，为反应提供了丰富的活性位点；而rGO则以其优异的导电性和稳定性，促进了电子的快速转移，从而提升了整体催化效率。

为了进一步验证这些材料的催化机制，研究团队采用了多种分析手段。反应活性物种捕获实验结合电子自旋共振（ESR）分析表明，超氧自由基（•O??）和羟基自由基（•OH）是MB和TC降解的主要活性物种。这表明材料在光催化过程中能够有效生成并利用这些高活性的自由基，从而实现污染物的高效分解。同时，液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）被用于解析TC的降解路径，并确定其在降解过程中的中间产物。这些实验不仅揭示了材料的催化机理，还为后续的优化提供了理论依据。

研究团队还详细描述了材料的合成过程。ZnO的制备基于文献方法，通过调整反应条件，如温度、pH值和前驱体浓度，可以控制其形貌和晶体结构。而RZR复合材料的合成则需要精确调控RuO?的负载量，以确保其在ZnO@rGO基底上的均匀分布和良好的界面接触。此外，rGO的引入不仅提升了材料的导电性，还改善了其表面特性，使得ZnO能够更有效地与rGO形成异质结，从而增强电荷分离和传输能力。

从材料结构的角度来看，X射线衍射（XRD）分析表明，ZnO和ZnO@rGO材料的晶格结构清晰，且RuO?的成功掺杂进一步优化了其晶体排列。这表明材料的合成过程有效地实现了不同组分之间的均匀结合，从而提升了其整体性能。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像进一步展示了材料的微观结构，揭示了RuO?纳米颗粒在ZnO@rGO基底上的分布情况。这些图像显示，RuO?纳米颗粒均匀地分布在复合材料表面，形成了一种理想的异质结结构，有助于电子的快速迁移和反应的高效进行。

为了评估材料的性能，研究团队进行了多种电化学测试，包括循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）。CV测试结果显示，3-RZR@NF在OER和HER过程中表现出较低的过电位和较高的电流密度，表明其具有优异的催化活性。LSV测试进一步验证了这一结论，3-RZR@NF在低过电位下即可实现高电流密度的输出，说明其具备良好的电催化性能。EIS测试则用于分析材料的电荷转移电阻，结果显示3-RZR@NF的电荷转移电阻显著低于其他材料，表明其具备更高效的电子传输能力。

除了电化学性能，材料的稳定性也是研究的重要内容。通过长时间的电解实验，研究团队发现3-RZR@NF在70小时的运行中仍能保持稳定的催化性能，电流波动较小。这表明该材料不仅在初始阶段表现出色，而且在长期使用中也具备良好的耐久性。这一特性对于实际应用尤为重要，因为海水制氢过程通常需要长时间运行，材料的稳定性直接决定了其在工业环境中的可行性。

此外，研究团队还关注了材料的环境友好性。ZnO和rGO均为无毒、可回收的材料，而RuO?虽然属于贵金属，但其在复合材料中的含量较低，因此整体材料的环境影响较小。这使得3-RZR@NF不仅在性能上具有优势，而且在可持续性和环保性方面也表现出色。这种平衡对于推动清洁能源技术的发展至关重要，因为只有在性能和环境影响之间取得良好平衡的材料，才有可能被广泛应用于实际生产中。

研究的结论强调了3-RZR复合材料在电催化和光催化领域的双重潜力。其优异的性能不仅适用于海水裂解制氢，还能有效降解水体中的污染物，显示出在绿色能源和环境治理方面的广泛应用前景。此外，研究团队还指出，通过优化RuO?的负载量和材料结构，可以进一步提升其催化效率和稳定性，为未来的研究提供了方向。

从实际应用的角度来看，3-RZR@NF催化剂的开发具有重要的意义。它不仅降低了制氢成本，还提高了能源利用效率，为实现可持续的氢能生产提供了新的思路。同时，其在光催化降解污染物方面的表现，也为解决水体污染问题提供了有效的解决方案。这种多功能材料的出现，标志着电催化和光催化技术在绿色能源和环境保护领域的深度融合，有望推动相关技术的快速发展。

综上所述，本文的研究成果为海水裂解制氢和水体污染物治理提供了新的材料选择。通过合理的材料设计和合成方法，研究团队成功开发了一种兼具高效电催化性能和优异光催化能力的双功能复合材料。这种材料的开发不仅有助于提升清洁能源的生产效率，还为解决环境污染问题提供了可行的技术路径。未来的研究可以进一步探索该材料在不同环境条件下的性能表现，并优化其结构以适应更广泛的应用场景。