一、研究背景：PEM电解水阳极催化剂的“活性—稳定性”矛盾
质子交换膜水电解（PEMWE）因响应快、效率高，被视为绿氢制备的核心路线之一。然而，阳极酸性析氧反应（OER）动力学缓慢，且高度依赖铱（Ir）等贵金属催化剂。氧化钌（RuO₂）虽成本低于铱基材料，但在酸性强氧化环境中长期运行易发生晶格氧参与、Ru溶解与结构坍塌，导致性能快速衰减。如何在提升本征活性的同时抑制降解，是RuO₂走向工业应用的关键瓶颈。
近期，华东理工大学、中国科学技术大学、南方科技大学等联合团队从声化学掺杂入手，为这一瓶颈提供了新的解决思路。
💡 核心结论：研究团队通过空化介导的声化学策略，在RuO₂晶格中均匀引入硼原子，所得硼掺杂RuO₂在10 mA/cm²电流密度下过电位仅180 mV；在PEM电解槽中实现1 A/cm² @ 1.714 V，稳定运行超过200 小时，电压衰减速率仅65.0 μV/h。
二、创新策略：空化介导声化学实现均匀硼掺杂
传统高温掺杂往往能耗高、均匀性差，且容易破坏氧化物晶格完整性。该团队提出的声化学法利用超声空化在液体中产生的局部高温高压微环境，使硼源在室温常压下数分钟内均匀嵌入RuO₂晶格，取代部分Ru位点并形成强共价B─O键。
这一方法的优势十分明显：
- ⚙️ 条件温和：无需高温煅烧，室温常压即可完成，适合规模化制备；
- 🧪 掺杂均匀：空化气泡的剧烈崩溃使硼原子在晶格中高度分散；
- 📉 能耗降低：相比传统数小时热处理，制备时间大幅缩短，能耗显著下降。
三、性能突破：从三电极体系到PEM电解槽
在三电极酸性体系中，硼掺杂RuO₂展现出优异的OER活性与超长耐久性。研究团队进一步将其组装为膜电极，集成到PEM电解槽中进行工况验证。
关键性能数据如下：
| 测试场景 | 核心指标 | 硼掺杂RuO₂结果 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 三电极OER | 过电位 @ 10 mA/cm² | 180 mV | 接近顶级酸性OER催化剂水平 |
| 三电极稳定性 | 连续运行时间 | >3000 小时 | 证实晶格稳定性显著增强 |
| PEM电解槽 | 槽压 @ 1 A/cm² | 1.714 V | 满足工业级电流密度需求 |
| PEM电解槽 | 电压衰减速率 | 65.0 μV/h | 长周期运行衰减极低 |
四、机理揭示：B─O键抑制晶格氧参与
结合原位光谱与理论计算，研究团队揭示了硼掺杂提升活性与稳定性的双重机制：
- 🔬 优化氧中间体吸附：B─O键调控Ru位点电子结构，使*O、*OH等中间体吸附能接近最优，降低OER能垒；
- 🛡️ 抑制晶格氧氧化：强共价B─O键稳定晶格氧，阻碍Ru过度氧化与溶出，从源头减缓催化剂降解；
- ⚡ 促进电荷转移：均匀硼掺杂改善了RuO₂导电网络，加快电子与质子传输。
“该策略将RuO₂的活性与稳定性从‘此消彼长’推向‘同步提升’，为非铱酸性OER催化剂的工业化应用打开了新窗口。”
五、产业启示：对测试与制备设备的新需求
随着RuO₂基低贵金属催化剂逐步走向PEM电解槽工程验证，催化剂的制备一致性与器件级性能评测变得尤为重要。科研团队与设备厂商需要在以下环节协同发力：
- 🧪 催化剂浆料制备：借助超声分散机、搅拌研磨机实现硼掺杂RuO₂颗粒的均匀分散，避免团聚与沉降；
- 🎨 膜电极涂布：利用超声喷涂机精准控制催化层厚度与载量，保障膜电极活性与稳定性；
- 🔩 性能验证：通过PEM电解水测试台、膜电极测试夹具、电解槽测试夹具完成极化曲线、交流阻抗与长程耐久性测试；
- 🏭 产线衔接：MEA膜电极制备产线的涂布、热压、裁切工艺需与新型催化剂配方适配。
作为氢能测试设备供应商，合肥博格达氢能持续为高校与研究机构提供PEM/AEM电解水测试台、膜电极测试夹具及催化剂制备设备，助力新型催化材料从实验室走向工程化。
（本文基于公开科研进展整理。）如想了解更多关于PEM电解水测试台、催化剂浆料制备及膜电极测试夹具的技术方案，欢迎与我们联系。
