Pine旋轉圓盤電極助力精準電化學測試 ：頂刊速遞 | ACS Nano：引入晶格羥基調控Ru-Ru間距，實現高效穩定OER，

通訊作者：Yuen Hong Tsang (曾遠康)，Haitao Huang (黃海濤)

作者單位：香港理工大學

DOI號：10.1021/acsnano.5c01937

摘要：

質子交換膜水電解（PEMWE）是實現可再生能源轉化制氫的重要途徑，但其陽極的析氧反應（OER）由于環境呈酸性且反應動力學緩慢，嚴重限制了整體效率。目前商用仍高度依賴昂貴的銥（Ir）基催化劑。二氧化釕（RuO?）雖具有較高的OER活性，但在高氧化電位下極易溶解，導致結構坍塌。雖然通過異金屬摻雜可以改善性能，但會減少暴露的活性位點并增加釕回收的難度。基于此，香港理工大學團隊提出了一種全新的策略：通過在周期性結構中引入晶格羥基，開發出一種單金屬RuO? (d-RuO?) 高性能OER電催化劑。該催化劑在10 mA cm?2的電流密度下，不僅表現出僅150 mV的超低過電位，還實現了長達500小時的長期穩定運行，性能超越了眾多已報道的Ru/Ir基氧化物 。

核心創新點：

1.       晶格羥基引入：成功在純金屬RuO?體系中引入晶格羥基，不僅增加了Ru-Ru原子的間距，還賦予了周期性結構更大的靈活性。

2.       動態結構自適應：放大的原子間距促進了OER過程中Ru氧化態的快速轉換，并有利于形成更穩定的共邊RuO?八面體結構，從而加速O-O鍵的形成并抑制Ru位點的過度氧化。

3.       氣泡管理的微觀優化：催化劑超小的顆粒尺寸（3-4 nm）有效縮短了三相接觸線，大幅降低了氣泡的粘附力，促進了氧氣泡的快速脫附，進一步提升了高電流密度下的工作穩定性。

研究思路與方法：

研究團隊采用了兩步水熱-煅燒法成功合成了含有晶格羥基的畸變RuO?納米顆粒 (d-RuO₂)。

首先，通過熱重分析 (TG)、X射線衍射 (XRD) 和高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡 (HAADF-STEM) 確認了晶格羥基的存在以及其引起的晶格畸變和Ru-Ru間距的擴大。隨后，團隊對其在0.1 M HClO₄酸性電解液中的OER性能進行了系統評估。為了深入探究催化機理，研究人員結合原位X射線吸收光譜 (In-situ XAS) 監測了OER過程中活性Ru位點的化學狀態和局部結構變化。最后，通過接觸角測試和原位氣泡行為觀察，揭示了該材料在宏觀形貌上對氣體釋放的促進作用。

Pine旋轉圓盤電極 (RDE) 在本研究中的關鍵應用：

高水平的電催化研究離不開極其精準的電化學測試平臺。在本項研究中，電催化劑的活性與動力學性能評估均高度依賴于Pine Research提供的旋轉圓盤電極（RDE）系統。

根據文獻報道，研究人員的電化學測試過程如下：

1.      電極制備：將催化劑粉末與導電碳分散在含有Nafion的溶液中制成均勻的催化劑墨水，隨后精準滴涂在 直徑為5 mm的Pine玻碳旋轉圓盤電極（Glassy Carbon RDE, Pine）上，使催化劑負載量精確控制在0.306 mg cm?2。

2.      性能評估：在標準三電極體系中（以Pine RDE作為工作電極），測試了材料的線性掃描極化曲線（LSV），精準獲取了150 mV超低過電位的關鍵數據。

3.      動力學參數與穩定性：利用Pine電極出色的流體動力學控制，消除了傳質擴散的干擾，準確測量了雙電層電容（Cdl）以計算電化學活性面積（ECSA），并完成了1000圈的連續循環伏安（CV）穩定性測試。

內容總結：

本研究為攻克酸性OER電催化劑的活性與穩定性難題提供了一個范例。通過在單金屬RuO?中引入晶格羥基，不僅在微觀層面上拉大了Ru-Ru間距，促進了穩定的共邊八面體結構生成與氧化態循環；在宏觀層面上，也實現了氣泡的極速脫附 。最終該催化劑在搭載于質子交換膜水電解（PEMWE）器件中時，能在200 mA cm?2的嚴苛條件下穩定運行348小時，展現出巨大的商業化潛力。

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