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针对质子交换膜水电解槽（PEMWEs）阳极催化剂在酸性环境中活性与稳定性难以兼顾的难题，研究人员构建 V 掺杂 RuO?基质中的高密度微晶晶界（GB-V-RuO?）。该催化剂在 0.5 M H?SO?中展现低过电位与长寿命，揭示晶界稳定晶格氧、主导吸附演化机制（AEM），为突破传统活性 / 稳定性困境提供策略。
氢能作为清洁能源，其高效制备是实现 “双碳” 目标的关键。质子交换膜水电解槽（PEMWEs）因产氢纯度高、响应速度快等优势备受关注，但其阳极析氧反应（OER）催化剂在强酸性环境中面临活性与稳定性难以平衡的核心挑战。传统钌基（RuO?）催化剂虽活性优异，但晶格氧活化引发的结构崩塌和钌离子溶解导致寿命短，而铱基（IrO?）催化剂成本高昂，制约了 PEMWEs 的商业化应用。因此，开发兼具高活性、耐腐蚀性和低成本的酸性 OER 催化剂成为学界与工业界的迫切需求。
为破解这一难题，郑州大学化学学院与平原实验室的研究团队开展了系列创新研究。团队通过快速热驱动阳离子交换策略，在 V 掺杂 RuO?基质中引入高密度微晶晶界（GBs），构建了新型催化剂 GB-V-RuO?，并系统探究其在酸性条件下的 OER 性能。相关成果发表于《Nature Communications》，为酸性 OER 催化剂的设计提供了新思路。
研究人员采用多种先进表征技术揭示催化剂的结构与性能关联。X 射线吸收光谱（XAS）、高分辨扫描透射电子显微镜（AC-STEM）等证实，GB-V-RuO?具有约 6.37 nm 的微晶尺寸和均匀分布的晶界，钒（V）以 + 4 和 + 5 价态均匀掺杂于 RuO?晶格中，形成不对称 Ru-O-V 结构单元。电化学测试表明，GB-V-RuO?在 0.5 M H?SO?中表现出优异性能：达到 10 mA cm?2geo、100 mA cm?2geo和 1500 mA cm?2geo电流密度所需过电位分别为 159 mV、222 mV 和 300 mV，远低于商业 RuO?和 IrO?。稳定性测试显示，其在 10 mA cm?2geo下可稳定运行 760 小时，降解速率仅为 0.16 mV h?1，显著优于对照样品。
电催化性能与结构解析
通过线性扫描伏安法（LSV）、塔菲尔斜率分析及电化学活性表面积（ECSA）计算，发现 GB-V-RuO?的高活性源于晶界诱导的高活性位点密度和电子结构优化。晶界处低配位 Ru 位点与 V 掺杂协同作用，降低 Ru-O 键杂化程度，形成更多低氧化态 Ru3?，优化了氧中间体（*O、*OOH）的吸附能，加速反应动力学。
析氧机制探究
原位电化学阻抗谱（EIS）、衰减全反射表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）和微分电化学质谱（DEMS）揭示，晶界通过稳定晶格氧抑制晶格氧介导机制（LOM），使吸附演化机制（AEM）成为主导路径。同位素标记实验显示，GB-V-RuO?生成的 O?主要来自溶液中的水分子（AEM 特征），而 LOM 路径的晶格氧参与度极低，这解释了其高稳定性。
理论计算验证
密度泛函理论（DFT）表明，晶界与 V 掺杂协同调控 RuO?的电子结构：晶界降低 d 带中心，削弱氧中间体结合能，而 V 掺杂稳定晶界结构，抑制钌溶解。计算还发现，GB-V-RuO?的 AEM 路径过电位（0.41 V）显著低于 LOM 路径（1.63 V），且晶界处 V 的脱溶能更高，延缓了长期运行中的活性衰减。
研究结论表明，高密度晶界与 V 掺杂的协同作用是突破 RuO?基催化剂活性 - 稳定性权衡的关键。晶界不仅通过几何限域和电子调控优化反应路径，还通过物理屏障抑制 V 和 Ru 的溶解，而 V 掺杂进一步稳定晶界结构，形成良性循环。该策略为设计高效酸性 OER 催化剂提供了 “结构 - 成分 - 机制” 协同优化的新范式，有望推动 PEMWEs 在绿氢制备中的规模化应用。此外，研究中开发的热驱动阳离子交换法具有普适性，可扩展至其他过渡金属氧化物催化剂的设计，为能源催化领域提供了通用策略。
