精准铼掺杂激活RuO2 纳米纤维实现超高电流密度（1 A cm?2 ）下高效碱性水电解

针对RuO2 在碱性条件下OER（氧析出反应）和HER（氢析出反应）活性不足的难题，研究人员通过电纺丝-煅烧法构建铼（Re）掺杂RuO2 纳米纤维（NFs），优化后的Re0.1 Ru0.9 O2 –400 NFs在1 A cm?2 下仅需386 mV（OER）和157 mV（HER）过电位，且稳定性长达75-200小时，整体水分解能耗低至6.36 kWh m?3 H2 ，为工业级电解水技术提供新方案。

　　

研究背景与意义

氢能作为清洁能源载体，其规模化生产依赖高效电解水技术。然而，当前催化剂面临两大瓶颈：一是商用RuO₂
在酸性OER中表现优异，却在碱性环境及HER中活性不足；二是多数催化剂仅适用于低电流密度（<0.1 A cm^?2
），难以满足工业级高电流密度（≥1 A cm^?2
）需求。此外，高电流下的稳定性问题进一步制约实际应用。针对这些挑战，吉林大学等机构的研究团队通过精准调控RuO₂
电子结构，设计出兼具高活性和稳定性的铼掺杂RuO₂
纳米纤维催化剂，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术方法

研究采用电纺丝-煅烧两步法合成Re_x
Ru_1-x
O₂
纳米纤维，通过调节Re掺杂比例优化性能。结合场发射扫描电镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料形貌与结构，利用密度泛函理论（DFT）计算揭示电子结构调控机制。电化学测试在1 M KOH中评估OER/HER活性及稳定性，并组装双电极体系进行整体水分解（OWS）性能验证。

研究结果

材料合成与表征
Re_x
Ru_1-x
O₂
NFs通过电纺丝前驱体（NH₄
ReO₄
/RuCl₃
-PVP）经400°C煅烧制得，直径约204.1 nm（图S1）。XPS证实Re成功掺入RuO₂
晶格，引起Ru 3d轨道电子重排，优化活性位点电子环境。

OER/HER性能突破
优化后的Re_0.1
Ru_0.9
O₂
–400 NFs在1 A cm^?2
下OER过电位仅386 mV，较商用RuO₂
降低214 mV；HER过电位157 mV，优于Pt/C（图2）。DFT表明Re掺杂降低Ru位点d带中心，加速HER中H*吸附/脱附动力学，同时促进OER中OH^?
去质子化步骤。

工业级稳定性验证
催化剂在1 A cm^?2
下连续运行75小时（OER）和200小时（HER）后活性衰减<5%，结构保持完整（图4）。OWS测试中，Re_0.1
Ru_0.9
O₂
NFs||Re_0.1
Ru_0.9
O₂
NFs体系仅需1.47 V（10 mA cm^?2
），能耗6.36 kWh m^?3
H₂
，显著优于Pt/C||RuO₂
体系。

结论与展望

该研究通过Re掺杂精准调控RuO₂
电子结构，创制出兼具高活性与稳定性的双功能纳米纤维催化剂，解决了碱性高电流密度电解水的核心难题。其创新性体现在：（1）首次实现RuO₂
在1 A cm^?2
下的高效OER/HER；（2）揭示Re-RuO₂
协同作用机制；（3）为工业电解槽设计提供新材料范式。未来可通过扩大制备规模及优化电极结构进一步推动应用。