自适应磷调控优化羟基中间体吸附实现超快水分解的钌钴合金催化剂研究

针对RuCo合金催化剂在碱性水电解中OH*吸附不足导致HER/OER动力学缓慢的问题，研究人员通过引入自适应P位点，重构反应路径。P-RuCo催化剂在HER中通过Volmer-Tafel路径实现29 mV@10 mA cm?2 的低过电位，OER中通过LOM机制将过电位降至222 mV，质量活性达商业催化剂的6.2倍（HER）和11.2倍（OER），并在阴离子交换膜电解槽中实现1.32 A cm?2 的工业级电流密度，为高效水/海水电解提供了新策略。

　　

随着全球对绿色氢能需求的激增，碱性水电解技术因其环境友好和成本优势成为研究热点。然而，该技术的核心瓶颈在于氢演化反应（HER）和氧演化反应（OER）的动力学缓慢，尤其是传统钌钴（RuCo）合金催化剂因羟基中间体（OH*）吸附能力不足，导致反应路径效率低下。HER过程中，Co位点对OH的弱吸附限制了水分解产生的H中间体覆盖度；OER中，Co位点同样因OH吸附缺陷阻碍了关键OOH中间体的形成，迫使反应遵循能耗较高的吸附质演化机制（AEM）。如何通过材料设计突破这一限制，成为推动水电解技术工业化的关键。

中国石油大学（华东）的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表的研究中，创新性地将磷（P）原子引入RuCo合金，开发出具有自适应P位点的P-RuCo催化剂。该催化剂在HER中通过P位点与Co位点的协同作用，将反应路径优化为更高效的Volmer-Tafel机制；OER中则通过表面重构形成Ru掺杂的CoOOH与PO₄
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锚定结构，激活晶格氧氧化机制（LOM），显著提升了双功能催化性能。实验表明，P-RuCo在10 mA cm^?2
电流密度下的HER/OER过电位分别仅为29 mV和222 mV，质量活性达到商业Ru/C和RuO₂
的6.2倍和11.2倍，且在阴离子交换膜电解槽中实现500小时稳定运行，为工业级水电解提供了新方案。

研究采用水热合成结合退火工艺制备P-RuCo纳米颗粒，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）确认P掺杂引起的电子结构调控；利用原位拉曼光谱追踪OER过程中的表面重构；电化学测试系统评估催化剂的HER/OER性能；密度泛函理论（DFT）计算阐明P位点对OH*吸附能的调控机制。

主要研究结果

1. 材料设计与表征：P-RuCo通过P原子诱导的晶格应变和电子重分布，形成富电子Ru位点和缺电子Co-P活性中心。XPS显示P 2p轨道结合能偏移证实其作为OH*强吸附位点的特性。
2. HER性能优化：电化学测试表明P-RuCo的Tafel斜率低至31 mV dec^?1
   ，证实Volmer-Tafel路径主导。原位红外光谱观察到P位点促进水解离产生的H*快速迁移至Ru位点重组。
3. OER机制重构：在OER过程中，催化剂表面转化为Ru-CoOOH/PO₄
   ^3?
   复合结构。原位同步辐射表明PO₄
   ^3?
   通过诱导Co³⁺
   /Co⁴⁺
   价态跃迁激活LOM路径，规避AEM对OH*吸附的依赖。
4. 实际应用验证：组装阴离子交换膜电解槽后，P-RuCo在2.1 V电压下实现1.32 A cm^?2
   （纯水）和1.23 A cm^?2
   （海水）的电流密度，远超Pt/C||RuO₂
   基准体系。

结论与意义
该研究揭示了自适应P位点在调控催化剂表面中间体吸附和反应路径中的双重作用：在HER中作为“羟基捕获器”促进水解离，在OER中作为“晶格氧活化剂”重构反应机制。这种“一石二鸟”的设计策略不仅解决了RuCo合金的固有缺陷，还为其他过渡金属催化剂的理性设计提供了范式。研究成果对降低电解水制氢能耗、推动海水直接电解技术具有重要实践价值，相关机制解析也为多相催化领域的电子结构-活性关联研究提供了新视角。