Micropore-confined Ru nanoclusters catalyst for efficient pH-universal hydrogen evolution reaction

纳米团簇 催化作用 过电位 钌 电催化剂 纳米颗粒 无机化学 化学 吸附 氢 材料科学 化学工程 纳米技术 物理化学 电化学 有机化学 工程类 电极
作者
Xiaoxiao Huang,Ruihu Lu,Yaping Cen,Dunchao Wang,Shao Jin,Wenxing Chen,I N Waterhouse Geoffrey,N. Waterhouse,Ziyun Wang,Shubo Tian,Xiaoming Sun
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:16 (7): 9073-9080 被引量:48
标识
DOI:10.1007/s12274-023-5711-1
摘要

Pt-based catalysts are used commercially for the hydrogen evolution reaction (HER), even though the low earth abundance and high cost of platinum hinder scale-up applications. Ru metal is a promising alternative catalyst for HER owing to its lower cost but similar metal-hydrogen bond strength to Pt. However, designing an efficient and robust Ru-based electrocatalyst for pH-universal HER is challenging. Herein, we successfully synthesized N-doped carbon (NC) supported ruthenium catalysts with different Ru sizes (single-atoms, nanoclusters and nanoparticles), and then systematically evaluated their performance for HER. Among these catalysts, the Ru nanocluster catalyst (Ru NCs/NC) displayed optimal catalytic performance with overpotentials of only 14, 30, and 32 mV (at 10 mA·cm −2 ) in 1 M KOH, 1 M phosphate buffer saline (PBS), and 0.5 M H 2 SO 4 , respectively. The corresponding mass activities were 32.2, 12.1 and 8.1 times higher than those of 20 wt.% Pt/C, and also much better than those of the Ru single-atoms (Ru SAs/NC) and Ru nanoparticle (Ru NPs/NC) catalysts, at an overpotential of 100 mV under alkaline, neutral and acidic conditions, respectively. Density functional theory (DFT) calculations revealed that the outstanding HER performance of the Ru NCs/NC catalyst resulted from a strong interaction between the Ru nanoclusters and the N-doped carbon support, which downshifted the d-band center and thus weakened the ⋆ H adsorption ability of Ru sites.
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