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EMD | 辽宁科技大学牛冰冰/南方科技大学冯涛：痕量Ru改性的OER催化剂

已有 1889 次阅读 2026-7-30 10:11 |个人分类:能源材料与器件|系统分类:论文交流

1 导读

电解水制氢的关键瓶颈-氧析出反应（OER）长期受限于高成本与大电流密度下的稳定性不足。本文报道了一种痕量钌修饰的NiFeB纳米片电催化剂，仅2.26 wt%的钌掺杂即可在1 M KOH中实现100 mA/cm²下过电位低至235 mV，性能显著优于商用RuO₂。更值得关注的是，在4 M浓碱条件下，该催化剂能够在1000 mA/cm²的大电流密度下稳定运行超过150小时，在海水体系中同样表现优异。该催化剂兼具低成本、高活性与长寿命优势，为工业级绿氢规模化生产提供了一种高效稳健的阳极方案。

2 背景介绍

在全球“双碳”战略深入推进、绿氢产业加速落地的大背景下，电解水制氢凭借清洁、高效、可耦合可再生能源的优势，成为未来大规模氢能供应的核心路线。然而，电解水过程中，氧析出反应（OER）涉及四电子转移，动力学缓慢、能耗偏高，始终是制约整体效率的关键瓶颈。

目前商用贵金属催化剂活性突出，但成本昂贵、资源稀缺，难以支撑产业规模化应用；主流NiFe基催化剂成本低、易制备，却在工业级大电流、高浓度碱液、复杂海水体系中易失活、衰减快，长期稳定性难以达标。

面向真实工业场景，研发低贵金属用量、高活性、长寿命、耐严苛环境的高性能OER催化剂，已成为推动绿氢从实验室走向产业化的迫切需求与重要挑战。

3 图文介绍

在1 mol/L KOH电解液中，Ru@NiFeB电极展现出极为优异的氧析出反应电催化性能，室温下达到100 mA/cm²电流密度时过电位仅235 mV，显著优于未掺杂的NiFeB、纯泡沫镍及商用RuO₂催化剂；其塔菲尔斜率低至27 mV/dec，表明反应动力学极快，电荷转移阻力仅0.59 Ω，拥有高效的界面电荷传输能力；同时该材料具有更大的电化学活性面积与丰富的活性位点，且在1000 mA/cm2 的工业级大电流下可稳定运行超1000小时，法拉第效率接近96%，综合性能达到目前国际先进水平，充分证明痕量钌掺杂可显著提升NiFeB的催化活性与稳定性。

图 1 Ru@NiFeB在 1 mol/L KOH溶液中的半电池电化学性能。(a) 室温（25℃）下半电池氧析出反应（OER）线性扫描伏安（LSV）曲线。(b) 塔菲尔曲线及斜率值。(c) Ru@NiFeB的氧析出反应（OER）电化学阻抗谱（EIS）。(d) 半电池稳定性测试。

Ru@NiFeB在工业浓碱与天然海水体系中均展现出卓越的全水解性能。在4 mol/L KOH、60℃的工业条件下，全电池仅需2.13 V即可实现1000 mA/cm²的大电流输出，并可稳定运行150小时以上；在碱性海水体系中，500 mA/cm²电流密度下电压仅为2.60 V，且能稳定工作200小时，具备突出的大电流承载能力、长期稳定性与耐海水腐蚀能力，可满足大规模绿氢生产的实际应用需求。

图 2 不同条件下Ru@NiFeB的全电池性能。(a) 全电池（Ru@NiFeB阳极||Pt/C阴极）在4 mol/L KOH中的线性扫描伏安曲线。(b) 全电池在4 mol/L KOH中的稳定性测试。(c) 全电池在海水+1 mol/L KOH体系中的性能。(d) 全电池在海水体系中的稳定性测试。

4 总结与展望

本研究通过电沉积、硼化与水热法成功制备痕量钌修饰NiFeB纳米片电催化剂，以极低钌掺杂量实现了高效、稳定的氧析出性能，在碱性与海水体系中均表现出工业级应用潜力。该催化剂不仅过电位低、动力学快，更能在大电流下长期稳定运行，有效解决了传统催化剂成本高、稳定性不足的关键难题。

展望未来，这种低贵金属掺杂、可规模化制备的策略，可为工业碱性电解水与海水制氢提供高性价比阳极方案，进一步推动绿氢低成本、大规模产业化落地，为双碳目标与清洁能源转型提供坚实支撑。

5 作者简介

牛冰冰，博士毕业于吉林大学，南方科技大学博士后，现为辽宁科技大学教授，博士生导师。主要从事新能源材料的研究，包括CO₂利用、电解水制氢、燃料电池等研究。辽宁科技大学光电催化与新能源材料团队的带头人，累计主持6项省部级以上科研项目，包括2项国家自然科学基金、教育部产学合作协同育人项目、辽宁省教育厅、教育部重点实验室开放项目、企业横向研究项目等。累计发表SCI论文64篇，申请发明专利8项。

冯涛，现任南方科技大学材料科学与工程系副研究员，2020年于吉林大学获得博士学位。主要从事能源转换材料体系探索及材料热、电、磁等物性研究，在Natl. Sci. Rev.，Adv. Mater.，Energy & Environ. Sci.等期刊上发表论文40余篇，申请发明专利6项，研究成果多次得到南方+等专业媒体报道，主持国家及省部级以上项目4项，包括国家自然科学基金2项和广东省自然科学基金2项。

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。