开发在酸性介质中具有高催化活性和稳定性的催化剂是推进质子交换膜水电解槽制氢的关键。为此，采用水热法和离子交换法在钛网上原位生长了一种自支撑WO3@RuO2纳米线结构。尽管Ru负载仅为0.098 wt %，但在酸性0.5 M H2SO4中，当电流密度为10 mA·cm-2时，其析氧反应(OER)的过电位为246 mV，并在50 h内保持良好的稳定性，远优于商用RuO2。WO3@RuO2异质结构建立后，DFT计算证实了从M-O *到M-OOH *的速率决定步骤的过电位降低。同时，在没有有机粘合剂的情况下，这种自支撑体系也大大提高了其增强的OER动力学，从而降低了活性位点和电解质之间的界面阻力。这项工作提出了一种很有前途的方法，可以最大限度地减少大规模PEMWE应用中贵金属的使用。
(a) WO3@RuO2 NWs/Ti多层堆叠结构制备示意图;(b) WO3 NWs/Ti的SEM顶图，(c) WO3@RuO2-2 NWs/Ti。
(a) WO3@RuO2-2 NWs/Ti的HRTEM图像，插入图像分别为RuO2和WO3的晶格。(b)制备的WO3@RuO2-2 NWs/Ti的W、Ru、O能谱图。
加载RuO2前后WO3@RuO2-2 NWs/Ti的XPS曲线:(a,d) W 4f， (b,e) Ru 3p， (c,f) O 1s。
(a)商用RuO2、WO3、Ti mesh和WO3@RuO2 NWs/Ti的LSV曲线。(b) 10 mA·cm-2过电位。(c) Tafel斜率，(d) Nyquist图，(e) WO3@RuO2-X NWs/Ti的Cdl拟合曲线。(f) WO3@RuO2-2 NWs/Ti在100 mA·cm-2时的法拉第效率。(g) WO3@RuO2-2 NWs/Ti和商用RuO2在10 mA·cm-2时的时序电流曲线。
(a,b) WO3@RuO2模型结构;灰色、蓝色和红色的球分别是Ru、W和O原子。(c) RuO2和WO3@RuO2对应的OER过程计算的吉布斯自由能曲线。
(a) HRTEM图像;(b) EDS;(c) OER试验后WO3@RuO2-2 NWs/Ti的W4f、O1s和Ru3p的XPS谱图。
综上所述，通过水热法和离子交换法直接在导电衬底上生长活性材料，开发了一种自支撑的WO3@RuO2 NWs多层堆叠结构。该催化剂表现出低过电位、高质量活性和优异的催化耐久性，尽管其Ru含量较低，但仍超过了商用RuO2。独特的多层堆叠结构和Ru原子的有效利用确保了更快的OER动力学，而不需要通常与粉末催化剂一起使用的聚合物粘合剂。此外，结构中WO3和RuO2之间的异质结显著降低了M-O *和M-OOH *的吸附强度，优化了四电子过程的反应势垒。总的来说，这项工作提出了一种独特的三维催化阳极设计，用于高性能和经济实惠的OER催化剂。
Self-Supported WO3@RuO2 Nanowires for Electrocatalytic Acidic Water Oxidation | Inorganic Chemistry (acs.org)
https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c00881
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