台州学院/佳木斯大学Chem. Commun.：10 次 0.1 秒脉冲焦耳热构筑高活性耐久 RuNiFeOx 析氧电极

1. 背景可再生电力驱动的水电解制氢是绿色氢能的重要路线但阳极析氧反应OER涉及四电子转移和多个含氧中间体动力学缓慢往往需要较高过电位并推高电解槽能耗。RuO2 和 IrO2 虽是高活性基准催化剂但贵金属稀缺、成本高且在强氧化条件下易衰减。NiFe 基氢氧化物/氧化物在碱性 OER 中表现突出引入少量 Ru 有望通过电子结构调控进一步优化中间体吸附关键问题在于如何在低贵金属用量下快速构筑强耦合、高暴露、稳定的自支撑电极。2. 论文概要本研究中台州学院王家成杜鹏及佳木斯大学黄志求李小海团队报道了一种脉冲焦耳热辅助策略在镍泡沫NF上构筑自支撑 RuNiFeOx/NF-JH 析氧电催化剂。作者先在 NF 上电沉积 NiFe-LDH再引入 Ru 前驱体最后采用 1.5 V 方波电压脉冲 10 次、单次脉冲宽度 0.1 s、脉冲间隔 1 s 的焦耳热程序将其快速转化为 Ru/Ni/Fe 混合氧化物表面层。与马弗炉处理样品 RuNiFeOx/NF-MF 和商业 RuO2 相比RuNiFeOx/NF-JH 在碱性 OER 中只需 170 mV 即可达到 10 mA cm-2Tafel 斜率低至 32 mV dec-1并在 100 h 测试后保持结构和性能稳定进一步组装到阴离子交换膜水电解槽中可在约 2.0 V 下达到 1.0 A cm-2并在 500 mA cm-2 下稳定运行 150 h。3. 图文解读图1RuNiFeOx/NF-JH 的合成与结构表征图1展示了催化剂的三步构筑路线NiFe-LDH 电沉积、Ru 前驱体引入以及脉冲焦耳热快速转化。XRD 显示 JH 与 MF 样品均含 Ni 基底峰及 RuO2/Fe2O3 弱信号但 JH 样品氧化物峰更宽更弱说明焦耳热诱导了低结晶或部分无定形混合氧化物层SEM/TEM 表明其保留纳米球状、超薄互联纳米片结构EDS 证明 Ru、Ni、Fe、O 均匀分布有利于暴露活性位点和建立快速导电通路。图2RuNiFeOx/NF-JH 的 OER 电化学性能图2是性能对比的核心证据。RuNiFeOx/NF-JH 的 LSV 起始电位更低、电流上升更快在 100 和 200 mA cm-2 时过电位分别为 212 和 243 mV明显低于 MF 样品和商业 RuO2其 Tafel 斜率仅 32 mV dec-1EIS 半圆最小说明反应动力学和界面电荷转移更快。多阶跃恒电位/恒电流响应和 100 h 后 LSV 对比进一步证明其动态响应快、抗氧化运行稳定。图3表面电子结构与氧空位分析图3揭示焦耳热带来的电子结构调控。Ru 3p 结合能相对 MF 样品负移约 0.3 eV表明 Ru 位点电子密度提高Ni 2p 和 Fe 2p 分别正移约 0.3 eV 和 0.1 eV说明 Ni/Fe 向 Ru 发生电子转移形成电子富集 Ru 与电子贫化 Ni/Fe 的协同结构。O 1s 和 EPR 显示 JH 样品具有更强氧空位信号这有助于优化 OER 中间体吸附、增加可接触活性位点并提升界面电子转移。图4反应动力学、原位 Raman 与活化能分析图4从动力学层面解释高活性来源。Bode 相位图显示 JH 样品随电位升高界面电荷转移加速而 MF 样品在较低电位下更偏电容控制原位 Raman 中 JH 样品出现明显 Ni-O约 470 cm-1和 Ni-OOH约 560 cm-1信号且 Ni-OOH 随电位增强说明 Ru 引入和焦耳热处理促进真实活性相形成。CV 与活化能结果进一步表明JH 样品 OH- 吸附/脱附更强表观活化能仅 31.2 kJ mol-1显著低于 MF 样品的 79.1 kJ mol-1。4. 总结展望这项工作证明脉冲焦耳热不仅是一种快速热处理手段更能在自支撑电极中同时实现相转化、缺陷构筑、电子重分布和界面耦合从而显著提升碱性 OER 活性与耐久性。RuNiFeOx/NF-JH 在低过电位、高电流密度和 AEMWE 长时运行中的表现说明该策略具有从材料制备走向电解槽应用的潜力。后续值得进一步量化 Ru 用量利用效率、放大电极面积时的焦耳热均匀性、长期高电流密度下 Ru 溶出行为以及与工业膜电极组件和动态可再生电源的匹配稳定性。参考论文Xinxing Shi, Tongming Sun, Minmin Wang, Jinli Zhu, Miao Wang, Xiaohai Li, Zhiqiu Huang, Peng Du and Jiacheng Wang; Huang, Z.; Du, P.; Wang, J. Chemical Communications, 2026. DOI: https://doi.org/10.1039/D6CC03157A