RuO₂催化剂在质子交换膜水电解（PEMWE）中的催化机制
质子交换膜水电解（PEMWE）是高效紧凑的制氢技术，其阳极析氧反应（OER）是制约整体效率的关键瓶颈，而RuO₂因优异性能，成为该领域酸性OER催化剂的研究重点，以下从多维度梳理其核心信息。
一、RuO₂成为PEMWE阳极OER关键材料的原因
RuO₂能成为PEMWE阳极OER的关键材料，核心源于三大优势：一是高本征活性，在酸性OER环境中，其活性通常优于IrO₂等其他贵金属氧化物；二是合适的氧结合能，处于“火山图”顶点附近，可平衡O、OH、*OOH等中间体的吸附与脱附过程，保障反应顺畅；三是良好的导电性，作为金属氧化物，能高效传输电荷，为反应提供有利的电子转移条件。
二、RuO₂在酸性OER中的催化机制
酸性条件下，OER总反应是水转化为氧气、质子和电子，该过程遵循吸附质演化机制（AEM），主要通过四步质子-电子耦合反应完成：第一步是水吸附解离，活性位点与水作用生成*OH、质子和电子；第二步是*OH氧化，转化为*O、质子和电子；第三步是*O与水反应，形成*OOH、质子和电子；第四步是*OOH释放氧气，活性位点恢复初始状态。
从活性位点与电子结构来看，RuO₂的活性位点多为配位不饱和的Ru位点（如Ru⁴⁺、Ru⁵⁺），尤其以表面低配位Ru原子为主；电子层面，Ru的4d轨道与O的2p轨道杂化，形成适宜的能带结构，助力中间体吸附与转化；此外，适量氧空位可调节Ru的氧化态，促进*OOH形成与氧气脱附，进一步优化催化过程。
三、RuO₂在实际PEMWE中的挑战与衰减机制
尽管RuO₂催化活性高，但在PEMWE的强酸性、高电位、氧化性环境中稳定性较差，主要衰减机制有三方面：其一，Ru的溶解与氧化态升高，高电位（>1.5 V vs. RHE）下，Ru易被氧化为可溶性物质，且氧化态可能从+4升至+5甚至+6，加剧晶格氧流失；其二，晶格氧参与机制（LOM）与结构重构，反应中RuO₂表面可能形成非晶态物质，部分情况下晶格氧直接参与反应，破坏氧化物结构，加速溶解；其三，载体效应与团聚，纳米RuO₂易团聚长大，减小活性面积，若负载在导电载体上，还可能出现载体腐蚀或界面剥离问题。
四、提升RuO₂稳定性的策略与改性机制
为改善RuO₂稳定性，研究者提出多种改性策略：一是合金化或掺杂其他金属，如Ir-Ru混合氧化物可稳定Ru高价态、抑制过氧化，SnO₂或Ta₂O₅掺杂能增强氧化物骨架稳定，减少Ru溶解；二是构建核壳或异质结构，例如RuO₂@IrO₂核壳结构中，IrO₂外壳可保护RuO₂核心，减少其与电解质直接接触，RuO₂/TiO₂异质结中，TiO₂既能作为稳定载体，又能提供电子调变效应；三是晶面工程与缺陷调控，暴露（110）晶面的RuO₂活性与稳定性更优，引入氧空位或阳离子空位可调节局部电子密度，增强中间体吸附，但需平衡其与稳定性的关系；四是采用非晶态或水合氧化钌，这类物质通常有更多活性位点，能在一定程度上缓解晶格氧流失，不过长期稳定性仍需提升。
五、RuO₂在PEMWE膜电极（MEA）中的实际表现与优化方向
在MEA实际应用中，催化剂层设计需与Nafion离聚物良好混合，构建连续的质子、电子、气体传输通道，且RuO₂载量需控制在1–3 mg/cm²，以平衡活性与成本。耐久性方面，纯RuO₂在1 A/cm²、80℃条件下，寿命通常仅数十至数百小时，而改性后的Ru-Ir混合氧化物（如Ru:Ir = 7:3）可稳定运行数千小时。
未来优化方向主要包括：开发Ru基高熵氧化物，利用多金属协同效应稳定结构；构筑Ru单原子或团簇催化剂，提高原子利用率，减少溶解；结合原位表征与理论计算，明确衰减路径，为材料设计提供指导。
六、总结
RuO₂是当前PEMWE中活性最高的OER催化剂之一，但稳定性不足是制约其商业化应用的主要瓶颈。通过掺杂、结构设计、界面工程等改性手段，可在一定程度上提升其耐久性，不过要实现高效率、长寿命、低成本的PEMWE制氢系统，仍需在材料设计、电极工程、系统运行策略等方面协同优化。
超声波喷涂在RuO₂催化剂中的典型应用实例
当前超声波喷涂已广泛用于纯RuO₂及改性RuO₂（如Ta/B-RuO₂、F-RuO₂/FC）的膜电极制备，具体应用场景及效果如下：
1. 改性RuO₂催化剂的膜电极制备
-Ta/B-RuO₂催化剂（摘要1）：将Ta/B-RuO₂催化剂（2 mg/cm²）通过超声分散于“5 wt% Nafion + 异丙醇 + 水”体系，再经超声波喷涂至Nafion N117膜（183 μm）正面形成催化层（CCM），阴极搭配Pt/C喷涂；最终该电极在1.6 V电压下即可输出1 A/cm²电流密度，且在0.2 A/cm²下稳定运行120 h，突破“活性-稳定性权衡”。
-F-RuO₂/FC催化剂：通过“超声吸附+热处理”制备F-RuO₂/FC粉体后，采用超声波喷涂至PEMWE膜电极阳极，该催化剂在0.5 M H₂SO₄中10 mA/cm²过电位仅192 mV，且在100-1000 mA/cm²下稳定运行1440 h（60天），膜电极在1.58 V达500 mA/cm²电流密度，稳定2个月。
2. 纯RuO₂催化剂的工业化制备
– 针对纯RuO₂易团聚的问题（原网页提到纳米RuO₂团聚降低活性面积），超声波喷涂通过“先超声分散（打散团聚颗粒）+ 再精准喷涂”，使RuO₂颗粒在膜表面均匀分布，活性面积提升30%以上；同时结合Nafion离聚物的均匀混合，构建连续的质子/电子/气体传输通道。
关于驰飞
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杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
