还原氧化石墨烯负载钌铱双金属氧化物的原位生长及其在酸性氧析出电催化中的高效应用

为解决质子交换膜水电解(PEMWE)中铱基催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过离子交换/活化法在还原氧化石墨烯(rGO)上原位生长RuxIr1-xO2纳米颗粒，结合临界点干燥(CPD)技术构建了具有丰富氧空位的双金属催化剂。最优组分Ru0.75Ir0.25O2/rGO在10 mA cm?2下仅需171 mV过电位，单电池测试中1 A cm?2时电压低至1.524 V且稳定运行300小时，为高性能酸性OER催化剂设计提供了新思路。

　　

氢能作为未来间歇性可再生能源规模化利用的理想载体，其高效制备技术备受关注。质子交换膜水电解(PEMWE)因具备快速启停和电网平衡优势成为研究热点，但阳极氧析出反应(OER)依赖昂贵的铱基催化剂，其高昂成本（2020-2023年价格翻四倍）和较差的催化效率严重制约商业化应用。虽然钌(Ru)催化剂活性更高，但其稳定性不足，如何平衡活性与稳定性成为关键科学问题。针对这一挑战，华中科技大学等机构的研究人员创新性地将铱掺杂钌氧化物与还原氧化石墨烯(rGO)载体结合，开发出兼具高活性和稳定性的酸性OER电催化剂。

研究采用离子交换/活化法结合临界点干燥(CPD)技术，在rGO表面原位生长Ru_xIr_1-xO₂纳米颗粒。通过TEM、XRD、XPS等表征确认了8-20 nm的钌铱合金金红石结构均匀锚定在rGO上，CPD处理有效保留了介孔结构并引入氧空位。电化学测试采用标准三电极体系和单电池评估，结合BET比表面积分析和EPR氧空位定量检测揭示性能增强机制。

Microstructural characterization
XRD证实催化剂保持rGO特征峰(26.4°)和RuO₂金红石结构特征，Ir掺杂导致衍射峰偏移表明合金形成。TEM显示纳米颗粒均匀分散在rGO褶皱表面，HRTEM观察到0.32 nm晶格条纹对应RuO₂(110)晶面。XPS揭示Ru⁴⁺/Ir⁴⁺为主价态，O 1s谱中531.3 eV峰证实氧空位存在，EPR测试进一步量化氧空位浓度达3.2×10¹⁸ spin/g。

Electrochemical performance
在三电极体系中，Ru_0.75Ir_0.25O₂/rGO在0.5 M H₂SO₄中展现卓越活性：10 mA cm^?2过电位仅171 mV，Tafel斜率41 mV dec^?1，优于商业IrO₂(285 mV)和纯RuO₂(不稳定)。单电池测试中1 A cm^?2下电压低至1.524 V，300小时稳定性测试后性能衰减<5%。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻(R_ct)仅1.8 Ω，归因于rGO的高导电性和纳米颗粒紧密接触。

Conclusions
该研究通过精准调控钌铱比例和载体相互作用，实现了酸性OER催化剂活性-稳定性-成本的协同优化。rGO载体不仅防止纳米颗粒团聚，其二维导电网络还加速电子传输；CPD诱导的氧空位与双金属协同效应共同降低反应能垒。这项工作为设计非贵金属比例的高性能PEMWE催化剂提供了新范式，推动氢能产业化进程。论文发表于《Fuel》，受到国家重点研发计划(2024YFB4006505)和国家自然科学基金(U24B2071, 52076091)支持。