郑州大学刘仲毅:循环10000次的碱性HER

renzoula

研究亮点：

1. 制备了一种Ru@C量子点（Ru @ CQDs）电催化剂，在碱性介质中具有稳定而高效的析氢性能，10 mA cm-2电流密度时过电位仅为10 mV。

2. 经过10000次循环后，Ru @ CQDs催化剂在10 mA cm-2电流密度时过电位仅增加4 mV。

开发在碱性介质中具有高活性和高稳定性的HER催化剂，是电解水产氢技术商业化的关键一步。碱性介质中H2O的转化，通常比酸性介质中的效率低大约2-3个数量级。尽管已经开发了这样或那样的新型催化剂，碱性电催化产氢催化技术仍然任重而道远。

有鉴于此，郑州大学刘仲毅教授，卢思宇副教授和吉林大学杨柏教授课题组合作制备了一种Ru@C量子点（Ru @ CQDs）电催化剂，在碱性介质中具有稳定而高效的析氢性能。

研究人员利用碳量子点作为构筑基元，设计并合成出一种廉价高效的碳化聚合物点负载金属钌的纳米催化剂。由于碳化聚合物点和金属钌界面处存在电荷转移现象，富集空穴的金属钌成为了高活性的催化中心。

研究表明，这种新型催化剂在达到10 mAcm-2的电流密度下，所需要的过电位仅有10 mV（碱性），远超于常规铂碳催化剂。同时该催化剂在循环使用10000次后，催化剂本身没有发生明显变化，过电位仅仅提升4 mV。

理论计算表明，Ru和N掺杂的CQDs有力增强了H2O分子的吸附和解离，从而极大地增强了HER活性。CQD负载的Ru纳米颗粒的独特纳米结构不仅避免了Ru纳米颗粒的聚集，而且还保证了催化剂在长期运行中的耐久性。Ru和CQD在杂化体中的结合导致电荷密度重新分布，电子从Ru团簇转移到CQD，导致CQD的电子富集和Ru簇的空穴富集。

另外，碳化聚合物点来自于生物质（树叶），相对于石墨烯和MOF来说，成本非常低，产率可高达21.7%，极易大规模生产。催化剂中金属钌的含量为3.78%，成本仅为商业铂碳的0.80%。

总之，这项研究为碱性HER催化剂的开发提供了新的思路，为电解水产氢商业化提供了新的借鉴。

参考文献：

Weidong Li,YuanLiu,MinWu ,ZhongyiLiu,SiyuLu,BaiYang, Carbon‐Quantum‐Dots‐LoadedRuthenium Nanoparticles as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Productionin Alkaline Media. Angewandte Chemie 2018.

https://doi.org/10.1002/adma.201800676