酸性电解质中的电化学水分解是一种有前景的生产清洁氢(H2)的方法，可以生产低至零碳足迹的可持续燃料和化学原料。
尽管阴极的析氢反应(HER)可以相对高效地进行，但阳极的析氧反应(OER)由于其复杂的四电子反应途径和高能垒而显示出缓慢的动力学。铱(Ir)基催化剂已被证明在实现良好OER稳定性方面是有效的，但其活性相对较低且成本高，限制了其大规模应用。
相反，钌(Ru)催化剂提供了更高的OER活性和更具成本效益，但不良的稳定性阻碍了其商业应用。提升Ru催化剂稳定性的挑战主要源于晶格氧的参与，导致Ru的过氧化和溶解，损害其OER稳定性。因此，稳定催化剂中的Ru原子是开发具有长期稳定性的高活性、经济高效的酸性OER催化剂的关键。
近日，加州大学伯克利分校教授杨培东课题组探讨了Rux(Ir,Fe,Co,Ni)1-x多组分合金作为活性和稳定酸性OER催化剂的潜力。
具体而言，研究人员通过各种实验和原子尺度模型，系统地研究了Ru组分变化对所得相结构的影响，特别是在近等摩尔(x~20 at.%)浓度下。该合金表现出多相结构，由主要面心立方相(fcc)和次要六边形紧密相(hcp)相组成。基于机器学习的模拟结果表明，主要的fcc相可以很好地混合，而不需要任何明显的单元素分离来创造自己的大域，尽管可以预期形成小的局部原子聚集。
在块状合金中，Ni被观察到是偏析最严重的物种，其偏析倾向随着Ru比例的增加而增强，因为Ru-Ni在块状固相中的相互溶解度有限。在块状合金中也可以发现相对较强的Ru偏析倾向，这可能是实验观察到的hcp相形成痕迹的指标，因为它是Ru最有利的晶格结构。
优化后的Ru0.20(Ir,Fe,Co,Ni)0.80催化剂表现出较好的OER活性，在10 mA cm-2下测得平均过电位约237 mV；稳定性也得到提高，在连续运行24小时内活性降解速率约为1.1 mV h-1。
研究人员观察到多组分合金结构中Ru的总溶解量相对较低，强调了Ru的稳定性，这可能是由于熵稳定的固溶体结构和耐酸Ir的存在。研究结果还表明了多组分合金的表面重构，OER过程中在纳米颗粒上形成了一层富含RuIr的非晶或多晶氧化物壳层。STEM-EDS分析显示，在演化区域内Ru并未完全耗尽，而剩余的3d金属仅以微量形式存在，进一步表明了Ru的相对稳定性。
总的来说，该项研究为保持合金催化剂中Ru位点的高OER活性提供了独特的见解，这可以激励未来在酸性水电解质中应用的高活性和稳定的合金基OER催化剂的设计和探索。
Stabilizing Ru in multicomponent alloy as acidic oxygen evolution catalysts with machine learning-enabled structural insights and screening. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.4c16638