绿氢制备新突破：超快脉冲加热法 500℃煅烧钴掺杂核壳催化剂
点击：0 时间：2025-06-26 17:17:26
2025年2月，中国科学技术大学的陈维教授与黄婷副研究员联合苏州大学的张亮教授等研究人员在《Journal of the American Chemical Society 》上发表了题为“Cobalt-Doped Ru@RuO2 Core–Shell Heterostructure for Efficient Acidic Water Oxidation in Low-Ru-Loading Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”的论文，通过超快脉冲加热与煅烧两步法制备出单原子钴掺杂的Ru@RuO₂核壳异质结构催化剂，该催化剂在酸性析氧反应中表现出低过电位、高稳定性，且在超低 Ru负载的质子交换膜水电解装置中展现优异性能，其作用机制为电子结构调控降低反应能垒并抑制 Ru 过氧化。1.PEMWE技术瓶颈：质子交换膜水电解（PEMWE）是可持续制氢的重要技术，但阳极析氧反应（OER）在酸性条件下动力学迟缓且催化剂稳定性差，限制其应用。 2.贵金属催化剂缺陷：IrO₂成本高昂，RuO₂虽成本较低但易被氧化为RuO₄，导致催化性能在酸性环境中快速衰减。
3.低负载需求迫切：工业PEMWE中贵金属催化剂负载量高，开发低Ru负载、高稳定性的OER催化剂是降低制氢成本的关键。
1.超快脉冲加热与煅烧：首先将硝酸氧化处理的Vulcan XC-72R碳载体吸附Ru³⁺和Co²⁺，通过直流电源进行脉冲加热（0.1秒导通、1秒断开，重复10次，温度升至1400 K），还原形成粒径约4-5 nm的RuCo合金纳米颗粒；随后在空气中500℃煅烧，去除碳载体并氧化得到Co-Ru@RuO₂核壳结构催化剂，通过控制Ru/Co前驱体比例（9:1、3:1等）优化性能。2.结构表征手段：借助透射电镜（TEM）观察催化剂形貌，高分辨TEM（HRTEM）分析晶格结构，X射线衍射（XRD）确定物相组成，拉曼光谱验证无Co₃O₄相生成；利用X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）表征电子结构，证实Co以单原子形式掺杂进入RuO₂晶格。3.性能验证体系：在0.5 M H₂SO₄溶液中，通过旋转圆盘电极（RDE）测试OER活性，计时电位法（CP）评估稳定性；搭建PEMWE单电池装置（Nafion 115膜、Pt/C阴极），在Ru负载量0.34 mg/cm²条件下，测试不同电流密度下的电压及长期稳定性。1.催化性能优异：Co-Ru@RuO₂（9:1）在10 mA/cm²电流密度下过电位仅203 mV，稳定运行超400小时，质量活性达108.4 A/g Ru，显著优于市售RuO₂。2.PEMWE应用突破：在极低Ru负载下，PEMWE装置实现1 A/cm²电流密度时电压1.58 V，500 mA/cm²下稳定运行超200小时，性能优于多数已报道的Ru基催化剂。3.作用机制明确：单原子Co掺杂和Ru@RuO₂核壳结构调控了Ru的电子结构，降低OER决速步能垒，抑制Ru的过氧化，增强了催化剂稳定性。1.催化剂优化：优化催化剂组成与结构，探索更多过渡金属掺杂对性能的影响。2.工程化应用：开发规模化制备技术，推动低Ru负载PEMWE在工业制氢中的应用。3.机理深入研究：结合原位表征技术，深入研究酸性条件下催化剂的作用机制。
