吉林大学卢晓峰和厦门大学高铭滨Nano Letters: 设计Ru–B–Cr结构激活Ru位点以助力工业级电流密度酸性电解水

第一作者：李闱墨

通讯作者：卢晓峰教授，高铭滨副教授

单位：吉林大学，厦门大学

氢气是一种具有高能量密度、可再生的清洁能源，被认为是未来替代传统化石燃料的重要能源载体。相较于传统电解水制氢，质子交换膜（PEM）电解槽因其高效、大电流密度和紧凑设计等显著优势而受到广泛关注。然而其常用的阴极与阳极催化剂为Pt/C与IrO₂，高昂的价格和稀缺的地球储量限制了PEM电解槽在未来的进一步发展。Ru作为一种更便宜、更丰富的Pt族金属（PGM），被认为是Pt和Ir的理想候选者。然而，在高电流密度析氧过程中，Ru基催化剂表面的Ru物种会不可避免的在酸性强阳极氧化环境下发生过氧化形成Ru^x+（x>4）物种，使得活性位点溶解，导致活性显著降低。并且晶格氧的参与将严重影响Ru基催化剂的析氧稳定性。此外，尽管Ru展现出与Pt接近的氢结合强度，但其析氢活性仍然低于Pt。为此，如何提升Ru基催化剂的电催化活性和析氧过程的稳定性对于高效制氢来说至关重要。

基于此，来自吉林大学的卢晓峰教授与厦门大学的高铭滨副教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Designing Ru−B−Cr Moieties to Activate the Ru Site for Acidic Water Electrolysis under Industrial-Level Current Density”的研究论文。该研究通过静电纺丝技术向RuO₂纳米纤维中掺入Cr和B原子，形成高活性的Ru−B−Cr结构单元，不仅激活了Ru位点的活性，并且显著抑制了Ru的过氧化现象，最终展现出优异的酸性双功能电催化活性及稳定性。

利用静电纺丝技术，实现了将Cr与B原子的成功掺入到RuO₂晶格中。实现了非对称结构单元Ru–B–Cr的构筑。SEM，TEM，AC-STEM，XPS，XAS等表征证实Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的形成。

图1 Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的合成与形貌结构表征。

要点二：Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的析氢性能分析

Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维展现出优异的酸性析氢活性：在1 A cm^–2的电流密度下过电位仅为205 mV，远优于商业Pt/C催化剂，并且其反应动力学也优于大多数报道的Ru基析氢催化剂。不仅如此，该材料也表现处卓越的稳定性，在安培级电流密度下连续工作1000小时未出现明显的活性衰减。

图2 Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的酸性析氢性能研究。

要点三：Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的析氧性能分析

此外，Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维展现出优异的酸性析氧活性：在1 A cm^–2的电流密度下过电位仅为379 mV，远优于商业RuO₂催化剂以及自制的RuO₂纳米纤维，并且其在10 mA cm^–2的活性以及反应动力学也优于大多数报道的Ru/Ir基析氧催化剂。该材料也表现处卓越的稳定性，在安培级电流密度下连续工作188小时未出现明显的活性衰减。通过原位Raman技术也证实了Ru–B–Cr结构的存在可以显著减缓Ru位点的过氧化现象，以此提高催化剂的稳定性。

图3 Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的酸性析氧性能研究。

要点四：Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的电催化机理分析

Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的密度泛函理论计算表明，Cr,B共掺杂RuO₂体系中Ru–B–Cr结构的Ru位点对*H的吸附能相较于其他对比样来说明显更接近于0 eV，证实Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维优异的析氢活性。此外，差分电化学质谱以及pH依赖性测试表明，Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维遵循吸附质演化机理（AEM），并且其Ru位点展现出对*OOH更低的吸附能垒，证明由桥连B构筑的Ru–B–Cr结构显著提高了Ru位点的析氧活性。

图4 Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的DFT计算及OER机理研究。

要点五：Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的全解水性能分析

将Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维作为阴阳极材料组装的酸性电解池展现出优异的全解水性能：在电流密度为10 mA cm^–2时的电池电压仅为1.5 V，优于大多数报道的贵金属基酸性电解池。此外，该酸性电解池不仅具有接近100%的法拉第效率，并且在1 A cm^–2的电流密度下表现出最低的产氢能耗，仅为5.67 kWh m^–3。更重要的是，该酸性电解池在500 mA cm^–2的电流密度下持续工作188小时未出现显著的活性衰减，远优于分别由商业催化剂以及自制RuO₂纳米纤维组装的酸性电解池。

图5 Cr,B共掺杂RuO₂纳米纤维的酸性全解水性能研究。

Designing Ru−B−Cr Moieties to Activate the Ru Site for Acidic Water Electrolysis under Industrial-Level Current Density

卢晓峰教授简介：卢晓峰，吉林大学化学学院教授，博士生导师。主要研究方向为纤维材料的制备及其在催化和能源领域的应用。多次获得国家自然科学基金、霍英东教育基金会青年教师基金、吉林省科技创新领军人才和团队等项目的资助，在Adv. Mater., Energy Environ. Sci, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI学术论文200多篇，被引用12000多次。任中国复合材料学会超细纤维复合材料分会副主任委员, 中国产业用纺织品行业协会静电纺丝非织造材料专业委员会副主任委员。获唐敖庆优秀青年人才、吉林省自然科学一等奖等奖励，入选吉林大学唐敖庆学者英才教授、吉林省“18条”人才政策C类省部级领军人才。

李闱墨，浙江师范大学讲师。2024年6月于吉林大学化学学院获得高分子化学与物理专业的博士学位，主要研究方向为静电纺丝一维纳米材料的电催化性能及在能源转化方面的应用。目前以第一作者在Nano Lett.（2篇）、Chem. Sci.、Small、Coord. Chem. Rev.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表论文11篇。