二氧化钌水合物在高熵氧氟化物中的应用及电催化析氧性能研究

研究背景

在当今能源领域，寻找高效的电催化材料对实现可持续能源转换至关重要。二氧化钌水合物作为一种关键原料，在新型高熵氧氟化物的合成及电催化析氧反应（OER）中展现出独特价值，相关研究成果为能源领域的发展带来了新的希望。二氧化钌水合物（Ru, 75%）在实验中被用作合成高熵氧氟化物（HEOFs）的重要原料之一。

二氧化钌水合物

实验

研究人员将二氧化钌水合物与 MgF₂、MnF₂、ZnF₂、CoF₂等金属氟化物，按照不同摩尔比（x:y = 3:1，2:1，1:1），通过机械化学合金化法进行球磨，时长为 6 小时。在这个过程中，水合氧化钌与其他原料发生反应，成功制备出一系列如 [RuO₂]ₓ[MgMnZnCoF₂]ᵧ的金红石结构高熵氧氟化物。

性状表征

对合成的含 [RuO₂] 的高熵氧氟化物，尤其是 [RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁，研究人员进行了全面且深入的材料表征与分析。利用XRD 分析发现，[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁具有金红石结构，且为单相，其晶体结构与RuO₂相似。通过SEM、HR - TEM、SAED、HAADF - STEM、EDX 以及 ICP - AES 等多种表征手段进一步证实，该材料呈现纳米颗粒团聚的形貌，其中各元素不仅存在且分布均匀，金属原子比例也与理论值相符。XPS 分析结果显示，在 [RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁中，Ru的氧化态高于RuO₂，而其他金属（Mg、Mn、Zn、Co）的价态有所降低，同时F和O元素的结合能也发生了变化。这些微观结构和化学性质的变化，为材料在电催化反应中的性能表现奠定了基础。

电性能表征

在电催化析氧反应性能研究方面，研究人员在1M KOH电解液中，运用线性扫描伏安法（LSV）等测试手段，对二氧化钌水合物制备的[RuO₂]ₓ[MgMnZnCoF₂]ᵧ和RuO₂的电催化 OER 性能进行了测试。结果令人惊喜，[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁展现出优异的 OER 活性。当达到 10 mA/cm² 的电流密度时，其过电位仅为240 mV，明显低于RuO₂的291 mV。在1.55 V（vs RHE）的电位下，[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁的比质量活性高达537.1 A/gRu，约为RuO₂（70.5 A/gRu）的 7.6 倍。这表明在高熵氧氟化物结构中，水合氧化钌参与形成的材料在电催化析氧反应中具有更高的效率。此外，[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁还具备良好的稳定性。经过 50 h 的计时电流测试和 5000 次循环伏安测试后，其 OER 活性依然稳定，极化曲线变化几乎可以忽略不计，这为该材料的实际应用提供了有力的保障。

为了深入探究二氧化钌水合物制备的[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁性能提升的原因，研究人员进行了一系列测试和计算。通过计算Tafel斜率发现，该材料的Tafel斜率更小，意味着其OER催化动力学更有利。电化学阻抗谱（EIS）分析表明，[RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁的电荷转移电阻更低，这有利于电子转移。利用循环伏安法（CV）测试得到，该材料的电化学活性表面积更大，能够在反应过程中暴露更多的活性位点，从而提高催化活性。此外，DFT计算结果显示，多阳离子和阴离子元素掺入到 [RuO₂]₃[MgMnZnCoF₂]₁的晶格中，降低了OER反应的能垒，进一步促进了OER动力学。

结论

二氧化钌水合物在合成金红石结构高熵氧氟化物中发挥了关键作用，且所制备的含 [RuO₂] 的高熵氧氟化物展现出优异的电催化析氧性能。这一研究成果不仅为电催化材料的设计与合成提供了新的思路，也为实现更高效的绿色氢生产电催化过程提供了有价值的参考，有望推动能源领域向可持续发展方向迈进[1]。

参考文献

[1]Qi, Shengliang; Zhu, Kaixin; Xu, Ting; Ma, Weiguang; Zong, Xu [Journal of Energy Chemistry, 2025, vol. 102, p. 253 - 262]