质子交换膜电解(PEMWE)技术为生产高纯度氢提供了一条有前途的途径。然而，阳极析氧反应(OER)主要依赖于Ir基材料，这对于商业应用来说成本过高。Ru基催化剂被认为是PEMWE最有前途的OER替代品，因为它们比Ir更便宜。虽然Ru基催化剂对OER表现出显著的活性，但它们在酸性条件下的长期稳定性并不理想。这是因为，在酸性和氧化条件下，Ru容易过氧化，形成高价Run+ (n>4)物种(如RuO4或可溶性RuO52-)，导致催化剂失活。例如，基准RuO2催化剂的OER起始电位与Ru的溶解起始电位一致，后者触发晶格氧参与O2分子的形成，导致结构崩溃；另一个原因是表面Ru的直接溶解，导致催化剂晶体结构的崩解。因此，持久性Ru基催化剂的设计原则应着重于在酸性OER条件下稳定晶格氧和表面Ru物种。近日，东北师范大学常进法、邢子豪和美国中佛罗里达大学杨阳等开发了一种用于酸性水电解的Ru基催化剂的设计原理，即在尖晶石Co3O4中掺入双阳离子(Ru和Ni) (NiRuCoOx)，以提高催化剂的活性和稳定性。具体而言，对于金属和氧的相互作用，研究人员假设八面体中心可能表现出强的σ-σ相互作用，而四面体中心表现出相对弱的π-π相互作用。基于这一假设，选择Ru3+占据尖晶石Co3O4的八面体位点来提高酸性OER，选择Ni2+作为尖晶石Co3O4的四面体中心来稳定催化剂中的晶格氧和表面Ru物种。此外，Ni与Co具有相似的尺寸，可以进一步提高氧化物的电子导电性：它可以通过d电子离域诱导部分占据d轨道而被引入晶格中，从而桥接禁带。性能测试结果显示，在酸性条件下，所制备的NiRuCoOx催化剂达到10和100 mA cm-2电流密度所需的过电位分别为166和356 mV，并且在经过10000次加速稳定性循环测试(AST)后仅发生轻微活性下降。此外，研究人员组装了一个实用的PEMWE，其配备了NiRuCoOx膜电极组件(MEA)，只需要1.72 V的电池电压就能提供3 A cm-2的电流密度，并且该设备可以稳定运行超过1500小时，性能衰减率降低到0.025 mV h-1。总的来说，这项工作为提高Ru基催化剂的活性和稳定性提供了一种简便有效的方法，这也为推动PEMWE的发展和应用铺平了到路。Tailoring octahedron-tetrahedron synergism in spinel catalysts for acidic water electrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.5c00665【高端测试，找华算】🏅 同步辐射 全球机时，三代光源，随寄随测！最快一周出结果，保证数据质量！
