地大/北理工Applied Catalysis B：20 秒高温冲击制备富氧空位 Ir/RuO2 打造耐久酸性 PEM 水电解阳极

1. 背景质子交换膜水电解PEMWE被认为是高效制备绿氢的重要技术路线但其强酸、高电位的阳极析氧反应OER环境对催化剂提出了苛刻要求。Ir 基材料稳定性好但资源稀缺、成本高RuO2 活性高且相对低价却容易在酸性 OER 中过氧化生成可溶性 RuO4导致快速失活。因此如何在保留 RuO2 高活性的同时抑制 Ru 溶解是酸性 OER 催化剂设计的核心问题。2. 论文概要本研究中中国地质大学北京吕国诚崔晓亚、北京理工大学李煜璟团队提出“高温冲击HTS合成 RuO2 纳米颗粒 湿化学沉积 Ir 团簇”的两步策略在 20 s 内制备富氧空位 RuO2并在其表面锚定约 1.02 nm 的 Ir 团簇形成稳定 Ru-O-Ir 异质界面。该 Ir/RuO2 催化剂在 0.5 M H2SO4 中达到 10 mA cm-2 仅需 150 mV 过电位连续运行超过 500 h作为 PEMWE 阳极时在 60 °C 纯水条件下实现 1.0 A cm-21.60 V并稳定运行 100 h。原位光谱、DEMS 同位素实验与 DFT 计算共同表明界面电荷转移和氧空位协同促进增强型 AEM 路径降低 *OOH 形成能垒并抑制 Ru 过氧化溶解。3. 图文解读图形摘要Ir/RuO2 界面促进 AEM 路径图形摘要以 RuO2 表面 Ir 团簇、氧空位和 OER 中间体为核心概括了本文的主线Ir 团簇并非简单覆盖 RuO2而是通过 Ru-O-Ir 界面诱导电荷重排使水氧化沿更稳定的 AEM 路径进行从而降低 Ru 过氧化和溶解风险。图 1Ir/RuO2 的合成路线与形貌表征图 1 展示了材料构筑的关键逻辑先通过熔融 NaNO3 中的 20 s 高温冲击快速生成平均约 3.5 nm 的富缺陷 RuO2再沉积超小 Ir 团簇。TEM/STEM 可见 Ir 团簇均匀分散且未明显团聚RuO2(110) 与 Ir(111) 晶面清晰可辨EDS 元素映射进一步证明 Ir、Ru、O 分布均一为后续界面电荷调控和稳定性提升奠定结构基础。图 2晶体结构、氧空位与界面电子态图 2 证明了 Ir/RuO2 的“缺陷-界面”双调控。XRD 显示材料保持金红石 RuO2 主体并引入金属 Ir 纳米团簇EPR 与 O 1s XPS 表明 Ir 沉积后氧空位比例由 41% 提高至 50%Ru 3p 负移与 Ir 4f 正移说明电子由 Ir 向 RuO2 转移差分电荷密度图也显示 Ru 位点电子富集证实 Ru-O-Ir 界面存在强电子耦合。图 3酸性 OER 半电池性能图 3 给出了酸性 OER 性能的直接证据。Ir/RuO2 via HTS 在 10 和 100 mA cm-2 下过电位分别为 150 和 229 mV显著优于商业 RuO2Tafel 斜率为 53 mV dec-1Rct 仅 1.5 Ω说明反应动力学更快。其 Cdl 达 76.4 mF cm-2、ECSA 达 2182.9 cm2表明活性位点暴露充分经 20000 圈 CV 后极化曲线基本不变并可在 10 mA cm-2 下运行超过 500 hRu 溶解率由 RuO2 的 21.1% 降至 7.8%。图 4PEM 水电解器件验证图 4 将粉末催化剂优势推进到 PEMWE 器件层面。以 Ir/RuO2 为阳极、商业 Pt/C 为阴极组装 MEA在 60 °C 纯水中达到 1.0 A cm-2 仅需 1.60 V低于 RuO2、商业 RuO2 和商业 IrO2 对照在 1.0 A cm-2 下稳定运行 100 h而 RuO2 阳极约 15 h 后失效。EIS 显示 Ir/RuO2 同时降低欧姆阻抗、电荷转移阻抗和扩散阻抗说明界面结构不仅提升本征活性也改善了器件中的传质与电荷传输。图 5原位机理表征与 DFT 计算图 5 解释了高性能来源。原位 ATR-SEIRAS 捕捉到 *OH 与 *OOH 中间体DEMS 同位素实验中以 16O16O 信号为主、未观察到明显 18O18O说明反应主要遵循吸附物演化机制AEM而非晶格氧参与路径。DFT 进一步表明Ir/RuO2 异质界面将 *OOH 形成能垒由 RuO2 的 1.86 eV 降至 1.78 eV理论过电位由 0.63 V 降至 0.56 V从能量学上解释了活性提升与结构稳定性的同步实现。4. 总结展望这项工作以超快 HTS 缺陷工程和 Ir/RuO2 异质界面调控为抓手实现了酸性 OER 中活性、稳定性和贵金属利用效率的同步提升。其启示在于Ru 基催化剂的耐久化不一定依赖高 Ir 含量包覆或完全合金化精准构筑少量 Ir 团簇与富氧空位 RuO2 的界面即可重塑反应路径并抑制 Ru 溶解。面向实际 PEMWE 应用后续仍需在低 Ir 负载、工业级电流密度、动态工况和大面积 MEA 中验证长期稳定性但该研究为酸性水电解阳极催化剂的界面设计提供了清晰且可推广的思路。参考论文Lingchang Kong et al., Ultrafast Synthesis of Ir/RuO2 with Enriched Oxygen Vacancies for Durable Acidic Water Electrolysis, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, DOI: 10.1016/j.apcatb.2026.127048.