研究背景

在當(dāng)今能源領(lǐng)域，尋找高效的電催化材料對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。二氧化釕水合物作為一種關(guān)鍵原料，在新型高熵氧氟化物的合成及電催化析氧反應(yīng)（OER）中展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值，相關(guān)研究成果為能源領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的希望。二氧化釕水合物（Ru, 75%）在實(shí)驗(yàn)中被用作合成高熵氧氟化物（HEOFs）的重要原料之一。

二氧化釕水合物

實(shí)驗(yàn)

研究人員將二氧化釕水合物與 MgF?、MnF?、ZnF?、CoF?等金屬氟化物，按照不同摩爾比（x:y = 3:1，2:1，1:1），通過機(jī)械化學(xué)合金化法進(jìn)行球磨，時(shí)長(zhǎng)為 6 小時(shí)。在這個(gè)過程中，水合氧化釕與其他原料發(fā)生反應(yīng)，成功制備出一系列如 [RuO?]?[MgMnZnCoF?]?的金紅石結(jié)構(gòu)高熵氧氟化物。

性狀表征

對(duì)合成的含 [RuO?] 的高熵氧氟化物，尤其是 [RuO?]?[MgMnZnCoF?]?，研究人員進(jìn)行了全面且深入的材料表征與分析。利用XRD 分析發(fā)現(xiàn)，[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?具有金紅石結(jié)構(gòu)，且為單相，其晶體結(jié)構(gòu)與RuO?相似。通過SEM、HR - TEM、SAED、HAADF - STEM、EDX 以及 ICP - AES 等多種表征手段進(jìn)一步證實(shí)，該材料呈現(xiàn)納米顆粒團(tuán)聚的形貌，其中各元素不僅存在且分布均勻，金屬原子比例也與理論值相符。XPS 分析結(jié)果顯示，在 [RuO?]?[MgMnZnCoF?]?中，Ru的氧化態(tài)高于RuO?，而其他金屬（Mg、Mn、Zn、Co）的價(jià)態(tài)有所降低，同時(shí)F和O元素的結(jié)合能也發(fā)生了變化。這些微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的變化，為材料在電催化反應(yīng)中的性能表現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

電性能表征

在電催化析氧反應(yīng)性能研究方面，研究人員在1M KOH電解液中，運(yùn)用線性掃描伏安法（LSV）等測(cè)試手段，對(duì)二氧化釕水合物制備的[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?和RuO?的電催化 OER 性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果令人驚喜，[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?展現(xiàn)出優(yōu)異的 OER 活性。當(dāng)達(dá)到 10 mA/cm2 的電流密度時(shí)，其過電位僅為240 mV，明顯低于RuO?的291 mV。在1.55 V（vs RHE）的電位下，[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?的比質(zhì)量活性高達(dá)537.1 A/gRu，約為RuO?（70.5 A/gRu）的 7.6 倍。這表明在高熵氧氟化物結(jié)構(gòu)中，水合氧化釕參與形成的材料在電催化析氧反應(yīng)中具有更高的效率。此外，[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?還具備良好的穩(wěn)定性。經(jīng)過 50 h 的計(jì)時(shí)電流測(cè)試和 5000 次循環(huán)伏安測(cè)試后，其 OER 活性依然穩(wěn)定，極化曲線變化幾乎可以忽略不計(jì)，這為該材料的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的保障。

為了深入探究二氧化釕水合物制備的[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?性能提升的原因，研究人員進(jìn)行了一系列測(cè)試和計(jì)算。通過計(jì)算Tafel斜率發(fā)現(xiàn)，該材料的Tafel斜率更小，意味著其OER催化動(dòng)力學(xué)更有利。電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析表明，[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?的電荷轉(zhuǎn)移電阻更低，這有利于電子轉(zhuǎn)移。利用循環(huán)伏安法（CV）測(cè)試得到，該材料的電化學(xué)活性表面積更大，能夠在反應(yīng)過程中暴露更多的活性位點(diǎn)，從而提高催化活性。此外，DFT計(jì)算結(jié)果顯示，多陽離子和陰離子元素?fù)饺氲?[RuO?]?[MgMnZnCoF?]?的晶格中，降低了OER反應(yīng)的能壘，進(jìn)一步促進(jìn)了OER動(dòng)力學(xué)。

結(jié)論

二氧化釕水合物在合成金紅石結(jié)構(gòu)高熵氧氟化物中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，且所制備的含 [RuO?] 的高熵氧氟化物展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氧性能。這一研究成果不僅為電催化材料的設(shè)計(jì)與合成提供了新的思路，也為實(shí)現(xiàn)更高效的綠色氫生產(chǎn)電催化過程提供了有價(jià)值的參考，有望推動(dòng)能源領(lǐng)域向可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)[1]。

參考文獻(xiàn)

[1]Qi, Shengliang; Zhu, Kaixin; Xu, Ting; Ma, Weiguang; Zong, Xu [Journal of Energy Chemistry, 2025, vol. 102, p. 253 - 262]