RuO2电子结构调控及其电催化酸性析氧性能研究.pdfVIP

摘要

日益严重的能源危机和传统化石能源的消耗带来了非常多的环境问题，迫使人

们去寻找和开发清洁、无污染的可再生能源。氢能（H）具有燃烧热值高（146kJ.g-

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1）、燃烧产物只有水且无碳排放等优点，被视为一种具有广泛应用前景的能源载体。

根据国际氢能委员会预计，到2050年氢能将承担全球18%的能源终端供给。随着日

益增长的氢能需求，发展绿色高效的制氢方式迫在眉睫。在众多制氢途径中，电解

水不仅具有清洁、环保、可持续的特点，而且能够耦合太阳能、风能等可再生能源，

被认为是最有前景的制氢技术。相对于碱性电解水制氢，基于质子交换膜（PEM）

的酸性电解水制氢具有高离子电导率、副反应少、质子浓度高等优点，具有较强的

实用性。然而在PEM水电解体系中，阳极发生的氧析出反应（OER）是四电子转移

过程，涉及到多个中间体和反应步骤，导致其动力学过程缓慢，严重影响了电解水

制氢的整体效率。因此，亟需开发高效、稳定且低成本的酸性OER电催化剂。RuO2

具有OER活性优异的特点，被广泛用作酸性OER电催化剂。然而，RuO2在高电位

下会被氧化成可溶性的RuO4物种，导致催化剂结构崩塌和失活，严重降低了RuO2

催化剂在电解水过程中的稳定性。基于此，本论文提出通过异质元素掺杂和缺陷构

造两种策略来降低Ru的价态，进而提升RuO2的稳定性。

1.通过滴涂、热解和酸洗过程在碳纸（CP）上合成了Cu掺杂RuO2催化剂

（Cu-RuO@CP）。在0.5MHSO电解质中，Cu-RuO@CP仅需200mV的过电位

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即可达到10mAcm-2的电流密度，且在此电流密度下催化剂可维持近500h的稳定

性，优于RuO催化剂（RuO@CP）。X射线光电子能谱（XPS）表明Cu的引入优

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化了RuO2的电子结构，Ru3p结合能向低能移动，增加了Ru3+和Vo的比例，Cu掺

杂和氧空位的协同作用能够抑制RuO2过度氧化为RuO4物种，提升了催化剂的稳定

性。本工作通过异质金属掺杂的策略来调控RuO2电子结构，从而提高RuO2催化剂

在酸性介质中的活性和稳定性，为酸性水电解催化剂的设计提供了新思路。

2.通过滴涂和热解法合成了Li掺杂RuO2催化剂，并通过酸洗刻蚀掉表面不

稳定的锂物种以制备自支撑富缺陷RuO电催化剂（UfD-RuO@CP）。电化学测试表

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明，UfD-RuO@CP催化剂仅需179mV的过电位即可达到10mAcm，且在10mA

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cm-2下的计时电位测试表明，该催化剂具有长达1000h的良好稳定性。高分辨透射

电镜（TEM）和XPS证明了缺陷RuO2的形成及催化剂中氧空位含量的增加，氧空

位的形成优化了RuO2的电子结构，降低了催化剂中的Ru价态，避免了催化剂在低

pH和高氧化电位下的过度氧化。

关键词：电解水；析氧反应；酸性介质；二氧化钌；掺杂

Abstract

Thegrowingenergycrisisandtheconsumptionoftraditionalfossilfuelhavebrought

aboutaverylargenumberofenvironmentalproblems,forcingpeopletosearchforand

developclean,non-pollutingrenewableandcleanenergysources.