Ru–Cu Nanoheterostructures for Efficient Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Water Electrolyzers

化学 化学工程 工程类 有机化学
作者
Yong Zuo,Sebastiano Bellani,Gabriele Saleh,Michele Ferri,Dipak V. Shinde,Marilena Isabella Zappia,Joka Buha,Rosaria Brescia,Mirko Prato,Roberta Pascazio,Abinaya Annamalai,Danilo Oliveira de Souza,Luca De Trizio,Ivan Infante,Francesco Bonaccorso,Liberato Manna
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (39): 21419-21431 被引量:68
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06726
摘要

Combining multiple species working in tandem for different hydrogen evolution reaction (HER) steps is an effective strategy to design HER electrocatalysts. Here, we engineered a hierarchical electrode for the HER composed of amorphous-TiO2/Cu nanorods (NRs) decorated with cost-effective Ru-Cu nanoheterostructures (Ru mass loading = 52 μg/cm2). Such an electrode exhibits a stable, over 250 h, low overpotential of 74 mV at -200 mA/cm2 for the HER in 1 M NaOH. The high activity of the electrode is attributed, by structural analysis, operando X-ray absorption spectroscopy, and first-principles simulations, to synergistic functionalities: (1) mechanically robust, vertically aligned Cu NRs with high electrical conductivity and porosity provide fast charge and gas transfer channels; (2) the Ru electronic structure, regulated by the size of Cu clusters at the surface, facilitates the water dissociation (Volmer step); (3) the Cu clusters grown atop Ru exhibit a close-to-zero Gibbs free energy of the hydrogen adsorption, promoting fast Heyrovsky/Tafel steps. An alkaline electrolyzer (AEL) coupling the proposed cathode and a stainless-steel anode can stably operate in both continuous (1 A/cm2 for over 200 h) and intermittent modes (accelerated stress tests). A techno-economic analysis predicts the minimal overall hydrogen production cost of US$2.12/kg in a 1 MW AEL plant of 30 year lifetime based on our AEL single cell, hitting the worldwide targets (US$2-2.5/kgH2).
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