Cases
1秒內1450℃快速焦耳（ěr）熱法合成二元合金催化劑
2026-03-30
https://doi.org/10.1002/adma.202312369
質子交換膜水電解器（PEMWEs）在酸性條件下製氫具有高電流密度和低（dī）歐姆損耗的優勢。但酸性環境（jìng）對催化劑造成嚴重腐蝕，傳統RuO₂催化劑雖活性高，但穩定性差，易發生Ru溶（róng）解和晶格氧參與反應。通過過渡金屬摻雜或合金化可調（diào）控Ru的（de）電子結構，提升酸性介質中的析氧反應（OER）性能。傳統（tǒng）合成方法（如濕化學法、熱分解法）存在耗時長、能耗高（gāo）等（děng）問題。研究（jiū）中（zhōng）采用快速焦（jiāo）耳加（jiā）熱法作為一種新型合成（chéng）技術，可在（zài）極短時間（jiān）內製備高性能合金催化劑。
催化劑合成（chéng）與結構
采用（yòng）快速焦耳加熱法，以碳（tàn）氈（zhān）（CF）為基底，在空氣中施加直流（liú）電壓，使前驅（qū）體在1秒內升溫至1450°C，隨後迅速冷卻至室溫。合成目標催化劑：RuFe@CF（Ru-Fe二元合金），並製備Ru@CF作為對比樣品。
1.材料結構特（tè）征
XRD顯示RuFe@CF中Ru以金屬態為主，Fe摻雜引（yǐn）起（qǐ）晶格（gé）畸變（biàn）（衍射峰向高角度偏移）。
TEM/HRTEM觀察到Ru的晶麵間距及少量RuO₂，EDX顯示Ru、Fe、O均勻分布。
XPS結果表明：Ru以金屬態為主，表麵存在少量RuO₂；Fe以（yǐ）氧（yǎng）化態（Fe²⁺/Fe³⁺）存在；Fe摻雜使Ru的（de）電子密度增加（XPS峰向低結合能偏移）。
2. OER性能（néng）
活性：
RuFe@CF在10 mA/cm²下過電位僅188 mV，優（yōu）於Ru@CF（197 mV）和商業RuO₂（300 mV）。
Tafel斜率（80.3 mV/dec）顯（xiǎn）著低於商業（yè）RuO₂（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RuO₂的（de）31.75倍。
穩定性：
在10 mA/cm²下穩定運行超過620小（xiǎo）時，遠（yuǎn）超Ru@CF（~110 h）和（hé）商業RuO₂（<30 h）。經10,000圈CV循環後性（xìng）能衰減極小。
3. 表麵（miàn）重（chóng）構機製
4. DFT計算結果
Fe摻雜使速率（lǜ）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（xīn）從-1.36 eV上移至（zhì）-1.06 eV，增強了對氧中間體的吸附（fù）能力。氧空位形成能從（cóng）0.97 eV提高（gāo）至5.28 eV，顯著提升了抗腐蝕能力。
5. PEMWE器件（jiàn）性能
在60°C下，RuFe基電解器達到（dào）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（yǐ）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（yā）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製備了（le）RuFe@CF催化劑，在酸性OER中展現（xiàn）出低過電位、高質量活性、超長穩定性的優異性能。研究（jiū）發現，Fe摻雜誘導（dǎo）的表麵重構形成穩定的（de）RuO₂納米鞘，同時調控電子結（jié）構（gòu）降低反應能壘，是提升催化性能（néng）的關鍵機製。該催化劑在PEMWE器件中表現出良好（hǎo）的實際應用潛力，為開發高效穩定的酸（suān）性OER催（cuī）化（huà）劑提供了新（xīn）思路。
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