Cases
1秒內1450℃快速焦耳熱法合成二元合金催化劑

https://doi.org/10.1002/adma.202312369
質子交換膜水電解器(PEMWEs)在酸性條件下制氫具有高電流密度和低歐姆損耗的優勢。但酸性環境對催化劑造成嚴重腐蝕,傳統RuO?催化劑雖活性高,但穩定性差,易發生Ru溶解和晶格氧參與反應。通過過渡金屬摻雜或合金化可調控Ru的電子結構,提升酸性介質中的析氧反應(OER)性能。傳統合成方法(如濕化學法、熱分解法)存在耗時長、能耗高等問題。研究中采用快速焦耳加熱法作為一種新型合成技術,可在極短時間內制備高性能合金催化劑。
催化劑合成與結構
采用快速焦耳加熱法,以碳氈(CF)為基底,在空氣中施加直流電壓,使前驅體在1秒內升溫至1450°C,隨后迅速冷卻至室溫。合成目標催化劑:RuFe@CF(Ru-Fe二元合金),并制備Ru@CF作為對比樣品。

1.材料結構特征
XRD顯示RuFe@CF中Ru以金屬態為主,Fe摻雜引起晶格畸變(衍射峰向高角度偏移)。
TEM/HRTEM觀察到Ru的晶面間距及少量RuO?,EDX顯示Ru、Fe、O均勻分布。
XPS結果表明:Ru以金屬態為主,表面存在少量RuO?;Fe以氧化態(Fe2?/Fe3?)存在;Fe摻雜使Ru的電子密度增加(XPS峰向低結合能偏移)。


2. OER性能
活性:
RuFe@CF在10 mA/cm2下過電位僅188 mV,優于Ru@CF(197 mV)和商業RuO?(300 mV)。
Tafel斜率(80.3 mV/dec)顯著低于商業RuO?(124.5 mV/dec),表明反應動力學更優。
質量活性(123 A/g @1.50 V)是Ru@CF的5.57倍、商業RuO?的31.75倍。
穩定性:
在10 mA/cm2下穩定運行超過620小時,遠超Ru@CF(~110 h)和商業RuO?(<30 h)。經10,000圈CV循環后性能衰減極小。
3. 表面重構機制

4. DFT計算結果
Fe摻雜使速率決定步驟(*OOH形成)的吉布斯自由能從2.33 eV降至2.24 eV。Ru的d帶中心從-1.36 eV上移至-1.06 eV,增強了對氧中間體的吸附能力。氧空位形成能從0.97 eV提高至5.28 eV,顯著提升了抗腐蝕能力。

5. PEMWE器件性能
在60°C下,RuFe基電解器達到不同電流密度500 mA/cm2、1000 mA/cm2、1500 mA/cm2,分別所需的電壓為1.716 V、1.898 V、2.079 V。以RuFe@CF為陽極的PEMWE器件,在200 mA/cm2下穩定運行超過250小時,電壓始終穩定維持在1.6V附近。

本研究通過快速焦耳加熱法成功制備了RuFe@CF催化劑,在酸性OER中展現出低過電位、高質量活性、超長穩定性的優異性能。研究發現,Fe摻雜誘導的表面重構形成穩定的RuO?納米鞘,同時調控電子結構降低反應能壘,是提升催化性能的關鍵機制。該催化劑在PEMWE器件中表現出良好的實際應用潛力,為開發高效穩定的酸性OER催化劑提供了新思路。


版權聲明
本公眾號推送內容僅作學習、交流與分享之用,版權歸原論文作者及所屬單位所有。推文觀點僅代表本公眾號立場,歡迎各位讀者批評指正。若有侵權情況,請及時聯系后臺處理(刪除/修改),感謝您的理解與支持!
投稿須知
熱烈歡迎各領域老師向本公眾號投稿,分享課題組最新研究成果!有意者可直接通過公眾號后臺與我們取得聯系。

設備咨詢熱線:15122725930





聯系方式
地址: 天津北辰科技園區雙川道11號
COOKIES
我們的網站使用 cookie 和類似技術來個性化向您展示的廣告,并幫助您在我們的網站上獲得最佳體驗。 欲了解更多信息,請參閱我們的隱私和 Cookie 政策
COOKIES
我們的網站使用 cookie 和類似技術來個性化向您展示的廣告,并幫助您在我們的網站上獲得最佳體驗。 欲了解更多信息,請參閱我們的隱私和 Cookie 政策
這些 cookie 是支付等基本功能所必需的。 標準 cookie 無法關閉,也不會存儲您的任何信息。
這些 cookie 收集信息,例如有多少人正在使用我們的網站或哪些頁面受歡迎,以幫助我們改善客戶體驗。 關閉這些 cookie 將意味著我們無法收集信息來改善體驗。
這些 cookie 使網站能夠提供增強的功能和個性化。 它們可能由我們或我們已將其服務添加到我們頁面的第三方提供商設置。 如果您不允許這些 cookie,那么部分或全部這些服務可能無法正常運行。
這些 cookie 幫助我們了解您感興趣的內容,以便我們可以在其他網站上向您展示相關廣告。 關閉這些 cookie 將意味著我們無法向您展示任何個性化廣告。
實驗爐系列
工業爐系列
中環電爐客服