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Strain Engineering of Ru–Co2Ni Nanoalloy Encapsulated with Carbon Nanotubes for Efficient Anion and Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

材料科学 碳纳米管 电解 应变工程 电解水 纳米技术 质子 离子 拉伤 化学工程 离子交换 电极 物理化学 冶金 有机化学 医学 化学 物理 遗传学 量子力学 生物 内科学 工程类 电解质
作者
Abhisek Majumdar,Tran Khoa Dang,Sampath Prabhakaran,Do Hwan Kim,Duy Thanh Tran,Nam Hoon Kim,Joong Hee Lee
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202420517
摘要

Abstract Alloying atomically dispersed noble metals with earth‐abundant transition metal nanoparticles (NPs) presents a promising approach to enhance the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) in water electrolysis. However, the challenge remains of reducing the size of the NPs without sacrificing high activity and durability. In this study, Ru–Co 2 Ni nanoalloy particles (NAPs) encapsulated in nitrogen‐doped carbon nanotubes (NCNTs) are introduced, forming a core‐shell electrocatalyst (Ru–Co 2 Ni@NCNT). This design leverages Ru site optimization, CNT density control, strain engineering, efficient water dissociation, and outstanding bubble release dynamics within the core‐shell structure. These factors significantly improve catalytic performance with low overpotentials of 35 and 57 mV overpotential in 1.0 m KOH and 0.5 m H 2 SO 4 solutions, respectively, at a current density of 10 mA cm −2 . Density functional theory (DFT) calculations reveal that while Ru sites serve as active sites, they also modify the electronic structure of Co and Ni, optimizing their hydrogen adsorption energies and improving HER efficiency. The Ru–Co 2 Ni@NCNT catalyst is successfully integrated into both anion exchange membrane (AEM) and proton exchange membrane (PEM) electrolyzers, demonstrating stable operation at 0.5 A cm −2 for 500 h, underscoring its potential for efficient and durable hydrogen production.
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