文|芸汐渃
编辑|芸汐渃
序言
催化剂对于物理反应的增效起着非常重要的作用，在碱性介质中，IrO2和RuO2是二氧化碳发生反应最活性的两种材料，它们具有广泛的应用领域。
目前来说，对这种金属氧化物上的氢气发生精确机制，我们并没有完全理解，人们觉得关键的催化步骤在于电解质界面处金属中心的不稳定形，其中Ru(VI)/Ru(VIII)和(IV)/Ir(VI)就是属于IrO2的再生氧化态。
虽然RuO2比IrO2更具有活性，可它在操作电解过程中存在很低的稳定性，特别不适用于商业的电解设备。
与之相反的是，IrO2是一种更实用的催化剂选择，由于它除了稳定性特别好好，并且还和RuO2一样携带着很强的活性，对复合催化剂具有更高的吸引力。
通过与纯IrO2和RuO2催化剂的比较，我们可以获得混和催化剂的特点，以及它在电物理反应中的潜在应用，可以说，在此次实验中，我们对催化剂性能影响展开了研究，但是与以前研究的结果进行了一系列对比。
IrxRuyO2电催化剂的制备实验
在这个实验中，我们通过亚当斯熔体法制备了Ir0.25Ru0.75O2和RuO2两种催化剂粉末，之后将·xH2O和RuCl3.xH2O的前体加入异丙酯后，耗费两小时的时间来用于搅拌器材。
由于氨水中的金属总含量为0.08M，所以它加入大量过量的NaNO3（大概150倍量过量）时，就须要在60°C下进行过夜干燥。
不仅这种之外，我们将干燥的混和物研钵和研杵碾磨下，之后直接装入提早预热的箱式炉中，等到，等到混和物在500°C的水温下加热1.5小时后，把实验设备中的加热器件冷却到和室内气温相同。
紧接着，我们又把熔化的盐-氧化物混和物冲入杯子中，而且让它在40°C下加热过夜，这样做的目的就是为了溶化任何残留的盐分，不过要注意的是，使用离心机运行时须要以5000rpm的速率分离和漂洗金属氧化物粉末，只有这样才才能替换无清液。
在这个实验过程中，我们对温度细节把控到了极至，当电位计的指数抵达一定标准后，我们会在电物理表征使用N2把它净化到0.5MH2SO4。
为了研究催化剂的马达参数，我们在实验上将催化剂中的薄膜催化剂层，用作RDE电瓶中的工作电极，由于只有这样能够让铂网被用作对电极，而MMS电极（相对于RHE为0.69V）则被用作参比电极。
除了这般，我们发觉在电极静止的情况下，MMS电极会以20mV/s的扫描速度，持续在0.00至1.40Vvs.RHE范围内记录循环伏安图，按照我们对电物理充电实验记录观察获知，在0.40至1.40Vvs.RHE范围内，MMS电极的扫描速度为2、5、10、20、30、40、50、60、80、100、150、200、300和500mV/。
不仅这种之外，我们还发觉MMS电极是1mV/s的扫描速度来运行的，它在1.00至1.70Vvs.RHE范围内会进行稳定性的实验，为了将电极表面的二氧化碳气泡去除，工作电极会在整个检测过程中以900rpm的怠速旋转。
由于我们实验的样品将阴极催化剂作为115CCM（聚合物电解质膜），所以样品操作过程中就等于阳极催化剂，而Pt黑则作为阴极催化剂。
尽管每位电极的有效面积为8cm2，所以我们在实验中，是以60°C的水温和40mL/min的流量向阳极和阴极来供应1型水，由于只有这样能够通过向阳极和阴极的反面，吹入压缩空气里并将电瓶加压到20bar。
在进行测试之前，还须要使用ISO-TECHIPS-603直流电源装置，将电压密度保持在1A/cm2并检测电瓶进行电流，整个过程将近持续了30分钟。
除了这么，我们在使用Bio-LogicVMP3电位计与高电压提高器相结合时，还获得了稳态极化的曲线，它显示的数据是每隔60秒从8.00A逐渐降至0.05A。
在完成这个实验步骤后，我们还测试了ISO-TECHIPS-603直流电源装置的稳定性物理实验用的盐水怎么配置的，使用数字电流表每5分钟检测和记录电解槽电流，在等待结果的同时，我们发觉整个测试期间，电解槽仍然保持恒定电压为8.00A（电压密度为1.00A/cm2）。
要晓得，在RuK边沿（22117eV）和IrL3边沿（11215eV）吸收的边沿处搜集了好多波谱，所以它们必需要通过使用带有Pt镀膜穿衣镜（RuK边沿）的Si（311）晶体单色器，和带有铬镀膜穿衣镜（IrL3边沿）的Si（111）晶体单色器来排除高次纹波。
不仅这种之外，对于干燥的催化剂电极我们也进行了离线检测，由于0.5MH2SO4中的催化剂电极属于负级，所以在原位电物理XAS电瓶我们进行了原位检测。
在原位检测之前，我们先将催化剂电极通过煮熟水进行水合处理，之后再将装载的电瓶填充并联接到电位计，持续记录三个循环的伏安图，
我们须要注意的是，MMS电极在0.00至1.40Vvs.RHE的范围内，它扫描速度是为50mV/s，因而能够确保电极完全湿润并联接到电位计。
从检测电极的过程中，我们使用蠕动泵除了将电解液碱液泵送到电极表面，并且还使用萤光模式搜集了XANES波谱，这样做的目的是为了提升杂讯，并确保样品在检测过程中保持很高的稳定性。
由于电物理池的位置属于边沿处物理实验用的盐水怎么配置的，所以我们没法同时检测参考箔和样品数据，为了确保单色器在整个检测过程中保持稳定，我们只能采用置顶法来对箔定进行定期检测。
实验结果
在这个实验中，我们通过EDX剖析对制备催化剂进行了元素剖析，其中混和样品是和实验组装而成的，尽管实验组成是对样品不同部份进行三次EDX检测的平均值，但结果形成的偏差由标准误差来确定的。
由于考虑到使用XRD对样品会存在一定的偏差，所以我们为了确定颗粒的平均碳化物大小，展示了对样品的研究，通过一系列检测后发觉IrO2（ICSD84577）26和RuO2（ICSD）27体心四方相的峰位，由垂直虚线的红色和实线的白色来定义的。
尽管混和氧化物催化剂的XRD图谱坐落IrO2和RuO2之间，但我们要注意的是，在所有催化剂中2θ的值是约为28°、40°，它坐落35°、54°和83°的大会随着RuO2到IrO2的组成变化而发生偏斜。
随着Ir浓度的持续降低，我们还发觉催化剂在一定时间内，偏斜到35°2θ处的101反射峰位置，并且在其他峰值上还有不显著的差别，这种数据足以证明IrO2和RuO2的混和物，在广泛的成份范围内可以产生单一氧化物相。
为了更好的检测这种一氧化物，我们还使用了公式来进行检测，通过在28°、35°和54°的三个主要反射峰处，我们恐怕了催化剂的平均碳化物大小。
尽管催化剂的平均大小在成份范围内基本类似，但RuO2晶体的大小却略小于含Ir的样品，由于以前的研究中，早已观察到催化剂平均碳化物大小变化的规律，RuO2具有较低的结晶体温。
按照透射电子显微镜的相片显示，我们发觉样品由不规则、多边形形状的纳米碳化物组装而成的，通过观察IrO2颗粒的大小变化，我们在实验中发觉RuO2具有更大的大小范围，约为5-20nm。
这种观察结果很可能是RuO2晶化气温较高于IrO2的结果，由于我们在实验数据上发觉了好多缺陷的物理计量晶体表面，并且RuO2颗粒还在500°C下发生一系列焙烧。
考虑到Ir0.75Ru0.25O2的颗粒规格与纯IrO2十分类似，所以我们通过Ir0.50Ru0.50O2和Ir0.25Ru0.75O2复合材料的TEM显示上，发觉它们的所有颗粒规格都在5-20nm之间。
即使通过TEM观察到的颗粒规格稍小于XRD测定的碳化物规格，但这些差别却有着不可证实的距离，第一点就是XRD测定的碳化物规格是平均检测值，它上面颗粒规格的范围可能在该值日围变化。
第二点就是因为纳米颗粒属于集聚趋势，图象产生了复杂所以它具备的TEM化，这就意味着图象可能难以借助大多数氧化物样品来改变，由于较小的颗粒被较大的颗粒所掩藏了。
由于BET采用的检测方式是评估了催化剂的表面积，所以列举的氧化物是要比IrO2/RuO2催化剂数目级超出好多，混和催化剂的表面积是介于氧气化物之间的。
在这个实验过程中，我们对催化剂进行了薄膜电极的初始电物理研究，其中伏安法结果是玻璃碳圆盘最大的几何表面积，氧气化物IrO2和RuO2的循环伏安法图谱就验证了这一点。
其实原本采用的Adams熔体法和其他合成路线制备的IrO2催化剂十分相像，但我们却在伏安图的0.40至1.40V电势范围内，观察到了宽峰与Ir和Ru表面氧化态的变化有关。
对于IrO2催化剂的多晶结构，我们观察到了两个十分宽的峰，它们分别在约0.90V和1.25V附近，并且都对应于Ir(III)/Ir(IV)和Ir(IV)/Ir(VI)的转变。
除了这么，我们在RuO2催化剂的循环伏安图中还观察到三个峰，它们分别在约0.61V，0.80V和1.25V附，可以归因于Ru(II)/Ru(III)，Ru(III)/Ru(IV)和Ru(IV)/Ru(VI)的转变。
但是在这个步骤中我们须要注意的是，在IrO2和RuO2的伏安图中，它们都是在约0.00至0.20V之间观察到的阴极峰，因而IrO2和RuO2才被觉得是在H2剖析出，并且是在金属氧化物晶体结构中引入原子氢的结果。
从混和催化剂的伏安图，我们还在曲线上了解到IrO_2和RuO_2的特点，其中Ir_0..25O_2和Ir_0..50O_2的伏安图与的IrO_2曲线更相像，而Ir_0..50O_2的曲线在0.65V处也显示了轻微的Ru(II)/Ru(III)峰。
尽管Ir_0..75O_2的伏安图愈加接近RuO_2催化剂，但它的峰值却没有氧气化物这么显著，通过观测催化剂的伏安图，可以发觉III/IV氧化还原峰的位置会随着成份的变化而联通。
按照电位的变化，我们在Ir和Ru组分之间，找到了材料内部或表面互相作用的证据，混和氧化物的伏安图，抒发了III/IV峰位置的微小偏斜，是从Ir_0..75O_2的0.85V到Ir_0..25O_2的0.90V。
由于峰所处的厚度特别修身，所以它联通的变化十分小，并不具备一些必要的决定性，虽然此次实验中电位的偏斜不太显著，但峰电位与成份之间却有着线性关系。
我们使用熔体法制备的氧化物，在成份变化时没有可以识别峰的偏斜，但是值得注意的是，我们发觉这种样品是通过在490°C的硫酸盐熔体体中，加热30分钟才制而成的，而这一点就充分说明了为何观察到的峰，比实验中制备氧化物催化剂的峰更不显著。
推论
在这个实验中，我们通过对催化剂进行了电物理研究，从实验数据上观察到了类似于纯IrO2和RuO2的特点，并且还凸显了混和催化剂的特性。
在混和氧化物中，我们观察到氧化还原峰的位置对Ir和Ru的比列有一定的偏斜，而这表明Ir和Ru组分之间可能存在互相作用，但是因为样品制备的时间十分短，再加上峰的间距较大，所以就造成峰的联通不太显著，因而我们就须要进一步研究，来深入了解催化剂的电物理性质和成份之间的关系。
参考文献：
【1】《电剖析物理刊物》。
【2】《晶体学报B版》。
【3】《物理物理物理化学学》。
【4】《应用催化B：环境》。
【5】《国际生物质能》
【6】《冶金学中学生原子理论》
