1秒内1450℃快速焦耳热法合成二元合金催化剂

https://doi.org/10.1002/adma.202312369

Part 01

研究背景与问题

质子交换膜水电解器（PEMWEs）在酸性条件下制氢具有高电流密度和低欧姆损耗的优势。但酸性环境对催化剂造成严重腐蚀，传统RuO?催化剂虽活性高，但稳定性差，易发生Ru溶解和晶格氧参与反应。通过过渡金属掺杂或合金化可调控Ru的电子结构，提升酸性介质中的析氧反应（OER）性能。传统合成方法（如湿化学法、热分解法）存在耗时长、能耗高等问题。研究中采用快速焦耳加热法作为一种新型合成技术，可在极短时间内制备高性能合金催化剂。

催化剂合成与结构

采用快速焦耳加热法，以碳毡（CF）为基底，在空气中施加直流电压，使前驱体在1秒内升温至1450°C，随后迅速冷却至室温。合成目标催化剂：RuFe@CF（Ru-Fe二元合金），并制备Ru@CF作为对比样品。

1.材料结构特征

XRD显示RuFe@CF中Ru以金属态为主，Fe掺杂引起晶格畸变（衍射峰向高角度偏移）。

TEM/HRTEM观察到Ru的晶面间距及少量RuO?，EDX显示Ru、Fe、O均匀分布。

XPS结果表明：Ru以金属态为主，表面存在少量RuO?；Fe以氧化态（Fe2?/Fe3?）存在；Fe掺杂使Ru的电子密度增加（XPS峰向低结合能偏移）。

2. OER性能

活性：

RuFe@CF在10 mA/cm2下过电位仅188 mV，优于Ru@CF（197 mV）和商业RuO?（300 mV）。

Tafel斜率（80.3 mV/dec）显著低于商业RuO?（124.5 mV/dec），表明反应动力学更优。

质量活性（123 A/g @1.50 V）是Ru@CF的5.57倍、商业RuO?的31.75倍。

稳定性：

在10 mA/cm2下稳定运行超过620小时，远超Ru@CF（~110 h）和商业RuO?（<30 h）。经10,000圈CV循环后性能衰减极小。

3. 表面重构机制

4. DFT计算结果

Fe掺杂使速率决定步骤（*OOH形成）的吉布斯自由能从2.33 eV降至2.24 eV。Ru的d带中心从-1.36 eV上移至-1.06 eV，增强了对氧中间体的吸附能力。氧空位形成能从0.97 eV提高至5.28 eV，显著提升了抗腐蚀能力。

5. PEMWE器件性能

在60°C下，RuFe基电解器达到不同电流密度500 mA/cm2、1000 mA/cm2、1500 mA/cm2，分别所需的电压为1.716 V、1.898 V、2.079 V。以RuFe@CF为阳极的PEMWE器件，在200 mA/cm2下稳定运行超过250小时，电压始终稳定维持在1.6V附近。

本研究通过快速焦耳加热法成功制备了RuFe@CF催化剂，在酸性OER中展现出低过电位、高质量活性、超长稳定性的优异性能。研究发现，Fe掺杂诱导的表面重构形成稳定的RuO?纳米鞘，同时调控电子结构降低反应能垒，是提升催化性能的关键机制。该催化剂在PEMWE器件中表现出良好的实际应用潜力，为开发高效稳定的酸性OER催化剂提供了新思路。

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