【应用分享】秒级焦耳热快烧制备RuFe@CF及其酸性OER性能-天津中环电炉股份有限公司

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【应用分享】秒级焦耳热快烧制备RuFe@CF及其酸性OER性能

随着氢能发展和PEMWE应用，酸性OER因四电子过程动力学缓慢、RuO₂易溶解且稳定性差而成为瓶颈；传统合金化方法耗时高耗能，快速焦耳热法可快速合成并引入结构缺陷。

2026-10-10

DOI：10.1002/adma.202312369

研究背景

随着氢能发展和PEMWE应用，酸性OER因四电子过程动力学缓慢、RuO₂易溶解且稳定性差而成为瓶颈；传统合金化方法耗时高耗能，快速焦耳热法可快速合成并引入结构缺陷。本文采用该方法制备RuFe@CF和Ru@CF，研究其在酸性OER中的活性、稳定性与表面重构机制，并评估其PEMWE应用潜力。

研究方法

一、催化剂合成方法

◆ 基底：碳毡（CF）。

◆ 方法：将负载金属前驱体的CF置于自制装置中，通直流电，在空气中于<1秒内升温至1450°C，随后2–3秒冷却至室温。

◆ 样品：RuFe@CF（Ru/Fe原子比≈2:1，总负载≈1 mg/cm²）和Ru@CF。

二、实验结果

1.材料形貌：

SEM显示两种形貌：均匀负载的纳米颗粒/团簇，以及嵌入CF表面空心区域的较大颗粒(焦耳热刻蚀碳形成)。HRTEM显示d间距2.33、2.16、2.06 Å对应Ru的(100)、(002)、(101)晶面，2.54 Å对应RuO₂的(101)晶面。

2. 电化学OER性能

♦ 活性：在0.5 M H₂SO₄中，RuFe@CF的η₁₀=188 mV，Ru@CF为197 mV，商业RuO₂为300 mV。RuFe@CF在100 mA/cm²下η=269 mV。

♦ Tafel斜率：RuFe@CF 80.3 mV/dec，Ru@CF 96.9 mV/dec，商业RuO₂ 124.5 mV/dec。

♦ 质量活性：RuFe@CF在1.50 V vs RHE下为123 A/g，是Ru@CF的5.57倍，商业RuO₂的31.75倍。

♦ ECSA归一化：本征活性仍以RuFe@CF最高，证明Fe掺杂增强本征活性。

♦ 稳定性：

1)10 mA/cm²下，RuFe@CF稳定运行>600 h，Ru@CF<110 h，商业RuO₂<30 h。

2)100 mA/cm²下，RuFe@CF仅稳定5 h（碳基底腐蚀导致）。

3)5000次CV后，RuFe@CF过电位大幅降低，10000次后仅轻微下降，说明表面重构后活性提升且稳定。

3. PEMWE器件性能

装置：RuFe@CF阳极，Pt/C阴极，Nafion 115膜。

性能：60°C下，500、1000、1500 mA/cm²对应电压1.716、1.898、2.079 V。

稳定性：200 mA/cm²下连续运行250 h，电压稳定在~1.6 V，仅有三次因换水引起的波动。

局限：催化剂中碳材料占质量>90%，实际活性物质负载<0.2 mg/cm²，未来需优化提高负载量。

研究结果

1.Inconel 718不涂盐时，在750 ℃空气、CO₂、CO₂-30%H₂O中氧化500 h，均形成连续Cr₂O₃ +少量NiCr₂O₄保护膜，抗氧化性良好。

2.涂覆Na₂SO₄+NaCl 后，在干燥空气和空气-30%H₂O中热腐蚀严重，腐蚀膜疏松多孔、剥落，内部发生明显内硫化；空气-30%H₂O比干燥空气更恶劣。

3.涂盐后在CO₂-30%H₂O中腐蚀较轻，形成连续Cr₂O₃膜，厚度仅1.7±0.4 μm，无明显内硫化，抗热腐蚀性能优异。低氧分压抑制了硫化-氧化和氯化-氧化循环。

中环电炉焦耳热快烧炉系列

焦耳热快烧炉是一种多用途的新型快速超高温烧结设备。利用通电碳材料的焦耳加热形成高温场，获得超快升降温速率和超高烧结温度，可在数分钟内实现实现材料的快速合成和烧结，抑制低熔点组分的高温挥发，减少副反应或交叉扩散，抑制晶粒长大，并可制备复杂几何形状材料等。广泛适用于陶瓷材料、固态电解质、氧化物燃料电池材料、金属纳米催化材料、石墨烯及纳米材料、高熵合金及高熵化合物等领域。

优越性能：

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