Trace Ru-tuned NiO/CNT electrocatalysts outperform benchmark Pt for alkaline hydrogen evolution with superior mass activity

过电位 催化作用 非阻塞I/O 材料科学 碳纳米管 化学工程 过渡金属 塔菲尔方程 纳米材料基催化剂 纳米技术 无机化学 化学 纳米颗粒 物理化学 电化学 工程类 生物化学 电极
作者
Yanjun Chen,Yiyang Lee,Wei Chu,Jing Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:472: 144922-144922 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144922
摘要

The exploitation of highly active and durable electrocatalysts that can replace high-cost Pt/C for hydrogen evolution reaction (HER) is urgently required. The challenge lies in diminishing the usage of noble metals without sacrificing HER activity. In this work, trace Ru-doped transition metal oxides (TMOs) nanoparticles (∼7 nm) with high dispersion loaded by the carbon nanotubes (CNTs) were developed. Specifically, Ru-NiO/CNTs with a low Ru content of 0.94 wt% exhibits excellent alkaline HER activity with the low overpotential of 19 mV and 98 mV to achieve the current density of 10 mA·cm−2 and 100 mA·cm−2, respectively, outperforming Ru/CNTs counterpart and most previously Ru-based nanocatalysts. Notably, the mass activity (1.83 A·mgRu-1) and price activity (301.51 A·dollar-1) of Ru-NiO/CNTs are separately more than 7 times and 18 times higher than that of the commercial 20% Pt/C benchmark. Moreover, the catalyst can operate without activity decay after 100 h long-term stability test. DFT calculation reveals that the synergy effects are originated from (i) the accelerated adsorption and dissociation of H2O by Ru, and (ii) the optimized electronic structure of Ni that tunes the H* adsorption/desorption. Furthermore, we discover that Ru-promoted HER activity shows a metal-dependent relationship (Ni ≈ Cu > Mn > Co > Fe), which can use binding energy shift (ΔE) as a highly correlated descriptor. This work may provide an insightful understanding of Ru dopant for enhanced HER activity.
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