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📄 本實驗室論文

Novel ruthenium-based catalysts with atomic dispersion for oxygen evolution reaction in water electrolysis

原子級分散銥基觸媒應用於水電解之析氧反應

作者:Kuo-Wei Liao, Hsueh-Yu Chen, Wen-Hui Wei, Guan-Cheng Chen, Ichiro Yamanaka, Bo-Tau Liu, Ting-Fu Hong, Tai-Chin Chiang, Hsin-Chih Huang**, Chen-Hao Wang*
期刊:Materials Today Chemistry 35 (2024) 101857 |  DOI:10.1016/j.mtchem.2024.101857

📄 英文摘要

This study introduces a method for fabricating ultra-high-performance catalysts designed for the oxygen evolution reaction (OER), employing a combination of ball-milling, autoclave heat treatment procedures, and a two-step heat treatment approach. This method produces catalysts characterized by an atomic dispersion of ruthenium on nitrogen-doped carbon sheets (Ru–O/N–C–NH3). The Ru–O/N–C–NH3 catalyst exhibits exceptional OER activity in alkaline conditions, achieving a mass activity of 16842 A g−Ru1 at 1.52 V, and a minimal overpotential of 290 mV at a current density of 10 mA cm−2. Moreover, this catalyst demonstrates enduring stability, showing no significant decay after a 100-h stability test in anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE), with a mass activity approximating 62000 A g−PGM1. This is nearly three orders of magnitude greater than the AEMWE that utilizes commercial IrO2 as an anode. The atomic dispersion and the Ru–O/N bonding of the catalyst are substantiated to contribute to the notable enhancement in OER activity.

📄 中文摘要

本研究開發了一種超高性能觸媒的製備方法,專為析氧反應(OER)設計,結合了球磨法、壓力熱處理及兩步驟熱處理程序。此方法製備出原子級分散的銥觸媒負載於氮摻雜碳片上(Ru–O/N–C–NH3)。Ru–O/N–C–NH3 觸媒在鹼性條件下展現優異的 OER 活性,在 1.52 V 時達到 16842 A g−Ru1 的質量活性,並在 10 mA cm−2 的電流密度下僅需 290 mV 的過電位。此外,該觸媒在陰離子交換膜水電解(AEMWE)中進行 100 小時穩定性測試後無明顯衰減,質量活性約為 62000 A g−PGM1,比使用商業 IrO2 作為陽極的 AEMWE 高出近三個數量級。原子級分散與 Ru–O/N 鍵結被證實為 OER 活性显著提升的關鍵因素。

🔬 五項核心重要發現

1
原子級分散 Ru 觸媒的創新製備:結合球磨法、壓力熱處理及兩步驟熱處理程序(含氨氣處理),成功在氮摻雜碳片上實現原子級分散的 Ru(Ru–O/N–C–NH3),Ru 含量可低至 0.17 wt%。
2
卓越 OER 活性:0.34-Ru–O/N–C–NH3 觸媒在 10 mA cm−2 時過電位僅 290 mV,質量活性達 16842 A g−Ru1(@ 1.52 V),分別為商業 IrO2 的 191 倍及 RuO2 的 495 倍。
3
長效穩定性:在 AEMWE 實際運作中,0.34-Ru–O/N–C–NH3||Pt/C 組合於 2.0 V 連續運行 100 小時,質量活性穩定維持於約 62000 A g−Ru1,無明顯衰減,遠優於 IrO2||Pt/C(約 40 小時後即衰減)。
4
結構與鍵結解析:HAADF-STEM 與 XAS 結果確認 Ru 的原子級分散,並同時存在 Ru–N 與 Ru–O 鍵結。XPS 分析顯示熱處理後 Ru–O 鍵比例由 18.4% 大幅提升至 35.2%(增幅達 16.8%),對 OER 活性至關重要。
5
協同作用機制:Ru–O/Ru–N 鍵與 Ru 簇的協同效應,加上吡啶型氮(pyridinic-N)的電子給體特性,促進電子轉移至 π 鍵,進而增強 OER 活性。Ru–O 鍵的形成率高於 Ru–N 鍵,使 Ru 氧化態提升,有利於水電解。

📊 關鍵圖表

Fig. 6: OER performance
Fig. 7: AEMWE stability