DOI: https://doi.org/10.26599/emd.2026.9370085
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Shiyu Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة التطوير الناجح لمحفز كهربائي من نانو شيت Ru المخلوط بـ NiFeB (Ru@NiFeB) من خلال طريقة تخليق قابلة للتوسع. يظهر المحفز نشاطًا استثنائيًا لتفاعل تطور الأكسجين (OER) وثباتًا تشغيليًا ملحوظًا عند كثافات تيار صناعية. تُعزى هذه التحسينات إلى التعديل الدقيق للهيكل الإلكتروني بواسطة كميات ضئيلة من شوائب Ru وطاقة الامتصاص المحسّنة للوسائط الأكسجينية. كما يظهر محفز Ru@NiFeB أداءً كامل الخلية مثير للإعجاب ومتانة في كل من الإلكتروليتات القلوية المركزة ومياه البحر، مما يجعله حلاً موثوقًا للأنود لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع.
تم تحقيق تخليق Ru@NiFeB باستخدام نهج هجين يدمج بين الترسيب الكهربائي، والمعالجة الكيميائية، وتقنيات الهيدروحرارية القابلة للتوسع. أدت إضافة Ru إلى تحسين كبير في الموصلية الإلكترونية، والمساحة السطحية النشطة كهربائيًا، والنشاط الجوهري للمحفز، مما أسفر عن جهد زائد منخفض قدره 235 مللي فولت عند 100 مللي أمبير/سم² في 1 مول/لتر KOH. علاوة على ذلك، حافظ المحفز على كثافة تيار قدرها 1000 مللي أمبير/سم² لأكثر من 150 ساعة في 4 مول/لتر KOH عند 60 درجة مئوية، مما يدل على استقراره. مع تحميل Ru منخفض قدره 2.26% بالوزن، يحقق محفز Ru@NiFeB توازنًا ممتازًا بين النشاط، والثبات، والتكلفة، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات الصناعية العملية في التحليل الكهربائي للمياه وإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع. توضح هذه الدراسة استراتيجية تصميم عقلانية لتطوير محفزات كهربائية عالية الأداء مصممة لإنتاج الهيدروجين القابل للتوسع.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية تحليل المياه الكهربائي كطريقة مستدامة لإنتاج الهيدروجين، لا سيما من خلال تفاعل تطور الأكسجين (OER)، الذي تعيقه عملية نقل معقدة لأربعة إلكترونات. بينما تظهر محفزات المعادن النبيلة مثل RuO₂ وIrO₂ نشاطًا عاليًا، فإن تكلفتها وندرتها تحد من تطبيقها الصناعي. لذلك، هناك حاجة ملحة لمحفزات قائمة على المعادن الانتقالية الوفيرة في الأرض، لا سيما تلك التي تحتوي على النيكل (Ni) والحديد (Fe)، والتي أظهرت أداءً كهربائيًا واعدًا بسبب وفرتها الطبيعية وفعاليتها من حيث التكلفة. من الجدير بالذكر أن التأثير التآزري بين Ni وFe يعزز النشاط التحفيزي من خلال تعزيز تكوين أنواع Ni ذات التكافؤ العالي، والتي تعتبر حاسمة لتفاعل OER.
على الرغم من مزايا المحفزات القائمة على NiFe، لا تزال التحديات مثل الجهود الزائدة العالية وعدم كفاية المتانة عند كثافات التيار ذات الصلة صناعيًا قائمة. لقد برزت شوائب العناصر الغريبة، لا سيما مع البورون (B)، كاستراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين الأداء من خلال تحسين الهياكل الإلكترونية وتعزيز خصائص المواقع النشطة. أظهرت الدراسات الحديثة تحسينات كبيرة في الأداء من خلال شوائب البورون في أنظمة مختلفة. تقدم الورقة استراتيجية تخليق متعددة الخطوات جديدة لإنشاء أقطاب نانوية مدعومة ذاتيًا معدلة بـ Ru من النيكل-الحديد-البورون على ركائز من رغوة النيكل. تستفيد هذه البنية من التأثيرات التآزرية لمصفوفة NiFeB وأنواع Ru الموزعة، محققة أداءً ملحوظًا بجهد منخفض قدره 2.30 فولت عند 1000 مللي أمبير/سم² وثبات ممتاز عبر ظروف إلكتروليتية متنوعة، مما يعزز تطوير محفزات كهربائية فعالة لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
طرق
في قسم “الطرق” من الورقة البحثية، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في تجاربهم، والتي تم الحصول عليها جميعًا من Aladdin Scientific وهي من الدرجة التحليلية. تشمل المواد الكيميائية المحددة المدرجة كبريتات النيكل سداسية الماء ($\text{NiSO}_4 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، كبريتات الحديد الثنائي سباعية الماء ($\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}$)، كلوريد الروثينيوم المائي ($\text{RuCl}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}$)، محلول بوروهيدريد الصوديوم ($\text{NaBH}_4$)، حمض الأسكوربيك ($\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6$)، حمض الهيدروكلوريك ($\text{HCl}$)، وهيدروكسيد البوتاسيوم ($\text{KOH}$). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على رغوة النيكل (NF) من شركة Shanghai Jiaqingyuan Co., Ltd. (الصين). يشير المؤلفون إلى أنه تم استخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية ما لم يُذكر خلاف ذلك، مما يضمن سلامة ظروف التجربة.
مناقشة
تضمنت عملية تخليق محفز Ru@NiFeB ترسيبًا كهربائيًا تدريجيًا لطبقة NiFe على ركيزة من رغوة النيكل المسامية ثلاثية الأبعاد (NF)، تلاها شوائب Ru من خلال طريقة هيدروحرارية. تم تحديد الظروف المثلى لترسيب Ru لتكون 60 دقيقة عند 100 درجة مئوية، مما أسفر عن بنية نانو شيت موحدة تعظم تعرض المواقع النشطة وتعزز نقل الكتلة. كشفت الاختبارات الكهربائية أن هذا المحفز أظهر جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 238 مللي فولت عند كثافة تيار قدرها 100 مللي أمبير/سم²، وانحدار Tafel ضئيل قدره 66.8 مللي فولت/عقد، ومساحة سطح نشطة كهربائيًا كبيرة قدرها 9.8 مللي فائق/سم²، مما يشير إلى نشاط جوهري متفوق وأداء فعال لتفاعل تطور الأكسجين (OER).
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيفية الأشعة السينية للألكترونات (XPS)، على الدمج الناجح لـ Ru في مصفوفة NiFeB وكشفت عن بنية بلورية متعددة مع تفاعلات مستقرة بين العناصر. أظهر المحفز أداءً كهربائيًا ممتازًا، محققًا كفاءة فاراداي قدرها 96.15% لتطور O₂ والحفاظ على تشغيل مستقر على مدى فترات طويلة. ساهمت مورفولوجيا النانو شيت الفريدة والتآزر الإلكتروني بين مواقع Ru وNi وFe في تعزيز الكفاءة التحفيزية، مما يجعل Ru@NiFeB مرشحًا واعدًا للتحليل الكهربائي الفعال للمياه، لا سيما في ظل الظروف ذات الصلة صناعيًا.
DOI: https://doi.org/10.26599/emd.2026.9370085
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Shiyu Chen et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
This study presents the successful development of a hierarchical Ru-doped NiFeB nanosheet electrocatalyst (Ru@NiFeB) through a scalable synthesis method. The catalyst demonstrates exceptional activity for the oxygen evolution reaction (OER) and remarkable operational stability at industrial current densities. These enhancements are attributed to the precise modulation of the electronic structure by trace amounts of Ru dopants and optimized adsorption energetics for oxygen intermediates. The Ru@NiFeB catalyst also exhibits impressive full-cell performance and durability in both concentrated alkaline and seawater electrolytes, making it a viable anode solution for large-scale green hydrogen production.
The synthesis of Ru@NiFeB was achieved using a hybrid approach that integrates electrodeposition, chemical treatment, and scalable hydrothermal techniques. The incorporation of Ru significantly improved the electronic conductivity, electrochemically active surface area, and intrinsic activity of the catalyst, resulting in a low overpotential of 235 mV at 100 mA/cm² in 1 mol/L KOH. Furthermore, the catalyst maintained a current density of 1000 mA/cm² for over 150 hours in 4 mol/L KOH at 60°C, demonstrating its stability. With a low Ru loading of 2.26 wt.%, the Ru@NiFeB catalyst strikes an excellent balance between activity, stability, and cost, positioning it as a promising candidate for practical industrial applications in water electrolysis and large-scale green hydrogen production. This work outlines a rational design strategy for developing high-performance electrocatalysts tailored for scalable hydrogen production.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of electrocatalytic water splitting as a sustainable method for hydrogen production, particularly through the oxygen evolution reaction (OER), which is hindered by a complex four-electron transfer process. While noble metal catalysts like RuO₂ and IrO₂ exhibit high activity, their cost and scarcity limit their industrial application. Therefore, there is a pressing need for earth-abundant transition metal-based catalysts, particularly those incorporating nickel (Ni) and iron (Fe), which have shown promising electrocatalytic performance due to their natural abundance and cost-effectiveness. Notably, the synergistic effect between Ni and Fe enhances catalytic activity by promoting the formation of higher-valence Ni species, which are crucial for the OER.
Despite the advantages of NiFe-based catalysts, challenges such as high overpotentials and insufficient durability at industrially relevant current densities persist. Heteroatom doping, particularly with boron (B), has emerged as a viable strategy to improve performance by optimizing electronic structures and enhancing active-site characteristics. Recent studies have demonstrated significant performance improvements through boron doping in various systems. The paper presents a novel multistep synthesis strategy to create self-supported Ru-modified nickel-iron-boron nanostructured electrodes on nickel foam substrates. This architecture leverages the synergistic effects of the NiFeB matrix and dispersed Ru species, achieving remarkable performance with a low voltage of 2.30 V at 1000 mA/cm² and excellent stability across various electrolytic conditions, thus advancing the development of efficient electrocatalysts for green hydrogen production.
Methods
In the “Methods” section of the research paper, the authors detail the materials utilized in their experiments, all of which were sourced from Aladdin Scientific and are of analytical grade. The specific chemicals listed include nickel sulfate hexahydrate ($\text{NiSO}_4 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), ferrous sulfate heptahydrate ($\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}$), ruthenium chloride hydrate ($\text{RuCl}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}$), sodium borohydride solution ($\text{NaBH}_4$), ascorbic acid ($\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6$), hydrochloric acid ($\text{HCl}$), and potassium hydroxide ($\text{KOH}$). Additionally, nickel foam (NF) was procured from Shanghai Jiaqingyuan Co., Ltd. (China). The authors note that all reagents were employed without further purification unless specified otherwise, ensuring the integrity of the experimental conditions.
Discussion
The synthesis of the Ru@NiFeB electrocatalyst involved a stepwise electrochemical deposition of a NiFe layer onto a three-dimensional porous nickel foam (NF) substrate, followed by Ru doping through a hydrothermal method. The optimal conditions for Ru deposition were determined to be 60 minutes at 100°C, resulting in a uniform nanosheet architecture that maximizes active site exposure and enhances mass transfer. Electrochemical tests revealed that this catalyst exhibited a low overpotential of 238 mV at a current density of 100 mA/cm², a minimal Tafel slope of 66.8 mV/dec, and a large electrochemically active surface area of 9.8 mF/cm², indicating superior intrinsic activity and efficient oxygen evolution reaction (OER) performance.
Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed the successful incorporation of Ru into the NiFeB matrix and revealed a polycrystalline structure with stable interactions among the elements. The catalyst demonstrated excellent electrochemical performance, achieving a Faradaic efficiency of 96.15% for O₂ evolution and maintaining stable operation over extended periods. The unique nanosheet morphology and the electronic synergy among Ru, Ni, and Fe sites contributed to the enhanced catalytic efficiency, making Ru@NiFeB a promising candidate for efficient water splitting, particularly under industrially relevant conditions.