C60 Fullerenol to Stabilize and Activate Ru Nanoparticles for Highly Efficient Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Media

塔菲尔方程 催化作用 纳米颗粒 过电位 离解(化学) 化学工程 化学 吸附 无机化学 材料科学 纳米技术 物理化学 电化学 有机化学 工程类 电极
作者
Yaozhou Li,Tingting Xu,Qi Huang,Longtao Zhu,Yingying Yan,Ping Peng,Fangfang Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 7597-7605 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c01610
摘要

Ruthenium (Ru)-based catalysts exhibited great potential for the alkaline hydrogen evolution reaction. However, the strong adsorption of H on the Ru surface and the undesirable agglomeration of Ru are obstacles to further boosting their hydrogen evolution reaction (HER) performance. Herein, we develop C60 fullerenol C60(OH)24 to stabilize, disperse, and activate Ru nanoparticles through Ru–O–C60 connections. Despite the ultrahigh Ru content (38.6 wt %), Ru nanoparticles are densely and uniformly dispersed on the C60 substrate due to the anchoring and confinement effects of C60 fullerenols. Moreover, the electron-withdrawing properties of C60 induce the electrons to flow from Ru to C60 through the Ru–O–C60 interface, which enhances the electronic metal–support interaction, thereby optimizing the adsorption behavior of different intermediates. The synthesized Ru–OC60-300 has a remarkably small overpotential (4.6 mV at 10 mA cm–2) and Tafel slope (24.7 mV dec–1), showing high activity and stability toward alkaline HER. Density functional theory simulations reveal that the Ru–O–C60 interface engineering weakens the Ru–H affinity, promotes water dissociation, and accelerates the hydrogen evolution kinetics.
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