RuO?/LiCoO? 异质结构中强界面 Co–Ru 相互作用驱动相互电荷调节以实现稳定耐久的海水电解

《Journal of Alloys and Compounds》：Strong Interfacial Co–Ru Interaction in RuO 2/LiCoO 2 Heterostructure Driving Reciprocal Charge Regulation for Stable Durable Seawater Electrolysis

　　

摘要

直接电化学海水裂解在绿色氢气（GH）生产方面具有巨大前景。然而，由于氧析出反应（OER）动力学缓慢以及基于钌的OER催化剂的快速降解，其发展受到严重阻碍。在此，通过浸渍法将RuO₂纳米颗粒锚定在低结晶度LiCoO₂（LCO）载体上，构建了一种新颖的RuO₂/LiCoO₂异质结构。得益于低结晶度LCO独特的框架和丰富的表面缺陷，建立了强烈的界面Co–Ru相互作用。全面的波谱分析证实，该异质结通过电子补偿实现了独特的相互电荷调节机制。具体而言，电子持续从钴氧化物转移到Ru位点，从而维持了Ru中心的电荷平衡，进而抑制其过度氧化为可溶性物质。反过来，在界面引入Ru促进了电荷转移，并加速了LiCoO₂表面的快速重构。形成的无定形表面层抑制了有害的Li⁺溶出并防止结构崩解。因此，优化的含Ru材料表现出259?mV的低过电位，并将寿命延长至1440?小时以上，同时显著减少了贵金属负载量。通过界面电荷补偿发现相互稳定机制，为克服基于钌催化剂在大规模海水电解中的基本稳定性–活性权衡提供了创新策略。

章节摘要

引言

绿色氢气（GH）作为一种替代传统能源（如石油、煤炭等）的新型能源，因其高能量密度和零碳排放而受到广泛关注。[1], [2], [3] 为了实现其可持续生产，直接电化学海水裂解在众多GH生产技术中脱颖而出，因为地球上拥有丰富的海水资源。[4], [5], [6] 然而，与传统淡水电解相比，该技术面临若干方面的挑战

样品合成

LiCoO₂ （LCO）： 前驱体通过溶剂热法结合煅烧制备。将2.0?g乙酸钴（Co(CH₃COO)₂·4H₂O, 99.9%）溶解在150?mL乙醇中，然后在40 °C下使用磁力搅拌器以600?rpm连续搅拌3?小时。随后，将所得溶液用聚四氟乙烯膜密封并在室温下老化24?小时。老化后形成的沉淀物通过离心分离，并依次使用乙醇和去离子水洗涤。

结果与讨论

在本工作中，通过将纳米级RuO₂掺入LCO基底中构建了一种RuO₂/LiCoO₂异质结构。我们选择了纳米级低温LiCoO₂（LCO）作为基底，以增强LiCoO₂和RuO₂之间的电荷协同调节。RuO₂嵌入LiCoO₂（Ru-LCO）合成过程的示意图见图1。LCO是通过固态锂化过程制备的，使用超薄Co₃O₄纳米片作为前驱体。图S1展示了微观形貌

结论

在本工作中，通过简单的浸渍法开发了一种RuO?/LiCoO₂异质结构混合催化剂。该Ru-LCO在模拟碱性海水中表现出优异的水裂解活性和超长耐久性。主要结论如下：

• 1)
  开发了一种低结晶度LCO作为RuO₂纳米颗粒的优化基底。LCO固有的低结晶度促进了稳定异质结构的形成，促进了RuO₂的分散并显著改善了

CRediT作者贡献声明

Meng Zhu： 撰写 – 审阅与编辑，形式分析，数据整理。 Yaohang Wang： 形式分析，数据整理。 Jian Zheng： 撰写 – 审阅与编辑，资源，调查。 Zhou Haoxu： 软件，形式分析，数据整理。 Dong Zhou： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理。 Yongli Li： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。 Yuhan Jia： 撰写 – 原稿，调查，数据整理。 Rui Gao： 撰写 –

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由中国国家重点研发计划（批准号：2022YFB4002002）和中央高校基本科研业务费专项资金（编号：2025MS014）资助。我们感谢欧洲同步辐射设施提供了BM31光束线的束流时间，并感谢Marshall Kenneth博士和Stoian Dragos博士提供的帮助。

贾瑜涵|高瑞|朱梦|王耀航|郑建|周浩旭|周东|李永利

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