酸性条件下高效持久氧析出反应的RuO₂@IrO₂/C核壳结构催化剂研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由北京化工大学化学资源工程国家重点实验室的Xin Teng、Junan Gao、Zuobo Yang、Xin Liang、Xiaokuan Wu、Jimmy Yun（青岛创启新能源催化技术有限公司）及Jie Zhang（通讯作者）团队完成，发表于Catalysts期刊2023年13卷第1456期，2023年11月22日正式出版。论文题为《RuO₂@IrO₂/C Core-Shell Structure Catalyst for Efficient and Durable Acidic Oxygen Evolution》，开放获取（CC BY 4.0许可）。

二、学术背景
质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）水电解制氢技术因其高电流密度和整体效率被视为绿色制氢的理想策略。然而，阳极氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）的高过电位及催化剂不稳定性限制了其应用。酸性条件下，IrO₂虽稳定性高但活性不足，RuO₂活性优异但易氧化为可溶的RuO₄导致失活。因此，开发兼具高活性和稳定性的酸性OER催化剂是当前研究的关键挑战。本研究旨在通过构建核壳结构纳米催化剂（RuO₂@IrO₂/C），结合Ru与Ir的协同效应，实现高效持久的酸性OER催化。

三、研究流程与方法
1. 关键中间体Ru@Ir核壳结构的合成
- 步骤1：Ru核制备：以抗坏血酸（Ascorbic Acid, AA）为弱还原剂，在乙二醇溶液中调控RuCl₃·xH₂O的还原，180℃反应3小时生成Ru纳米核。
- 步骤2：Ir壳层包覆：在N₂氛围下，将IrCl₃溶液逐滴加入Ru核悬浮液，180℃回流2小时，形成Ru@Ir核壳结构纳米颗粒。AA的添加量（20 mg）和Ru:Ir摩尔比（2:1）通过性能优化确定（图S1-S5）。

1. RuO₂@IrO₂/C催化剂的制备

   • 将Ru@Ir中间体负载于超导碳载体EC600上，经300℃空气煅烧1小时，氧化为RuO₂@IrO₂/C核壳结构催化剂。碳载体有效防止煅烧过程中颗粒聚集，最终催化剂粒径仅3.44 nm（透射电镜证实）。
     

2. 表征与性能测试

   • 结构表征：
     
     • X射线衍射（XRD）显示Ru@Ir的衍射峰位于Ir（111）和Ru（101）晶面之间（42.5°），证实核壳结构形成（图2a）。
       
     • 高分辨透射电镜（HRTEM）显示晶格间距2.21 Å（Ir）和2.07 Å（Ru）（图3d-e），能量色散谱（EDS）证实Ru与Ir均匀分布（图3f）。
       
     • X射线光电子能谱（XPS）表明，煅烧后Ru⁴⁺和Ir⁴⁺含量增加，氧空位浓度提升（图5b-d），有利于活性位点暴露。
       
   • 电化学测试：
     
     • 在0.1 M HClO₄溶液中，通过线性扫描伏安法（LSV）测得300℃煅烧的催化剂在10 mA/cm²电流密度下的过电位仅为257 mV，低于商业RuO₂（300 mV）和IrO₂（350 mV）（图6a）。
       
     • 塔菲尔斜率为57.2 mV/dec（图6b），双电层电容（Cdl）达6.13 mF（图6c），表明其高电化学活性面积和快速反应动力学。
       
   • 稳定性测试：
     
     • 恒电流测试（10 mA/cm²）200小时后，催化剂性能无显著衰减（图6g）。TEM和XRD证实其结构稳定性（图S7, S11）。
       
   • PEM电解槽验证：
     
     • 组装膜电极（MEA）测试显示，RuO₂@IrO₂/C的电池电压低于商业催化剂，且动力学、传质和欧姆过电位均更低（图7a-c），验证其实际应用潜力。
       

四、主要结果与逻辑关联
1. 结构调控与活性提升：通过AA调控还原速率和Ir壳层包覆，形成超小粒径（~3.44 nm）核壳结构，增强电子相互作用，优化Ru与Ir的协同效应。XPS显示Ir⁴⁺和Ru⁴⁺的富集及氧空位增加，直接提升OER活性。
2. 稳定性机制：IrO₂壳层抑制RuO₂核心的溶解，同时碳载体防止颗粒团聚，二者共同保障长期稳定性。200小时测试后，催化剂粒径仅增至3.52 nm（图S7），结构几乎未变。
3. 实际应用验证：PEM电解槽测试结果与三电极体系一致，证明该催化剂在工业化中的可行性。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次通过纳米晶调控策略合成RuO₂@IrO₂/C核壳催化剂，阐明IrO₂壳层保护机制与电子协同效应，为酸性OER催化剂设计提供新思路。
2. 应用价值：该催化剂在低过电位（257 mV）和长寿命（200 h）方面超越现有报道（表1），如IrRu合金（344 mV，25 h）和La₃IrO₇（296 mV，16 h），具备工业化PEM电解槽应用潜力。

六、研究亮点
1. 创新方法：两步法合成超小核壳结构（先Ru@Ir中间体，后煅烧氧化），粒径控制精确（ nm）。
2. 性能突破：酸性OER活性与稳定性平衡问题取得突破，过电位和耐久性均优于同类催化剂。
3. 多尺度表征：结合XRD、HRTEM、EDS、XPS和电化学阻抗谱（EIS），全面解析结构-性能关系。

七、其他价值
1. 低成本优化：通过降低Ir用量（Ru:Ir=2:1）减少贵金属依赖，符合工业化需求。
2. 机理深入：发现煅烧温度（300℃）对氧空位形成的临界作用，为后续研究提供参数指导。

（全文约2000字）