钌基酸性析氧电催化剂研究进展：破解活性-稳定性权衡难题

本文推荐研究人员针对质子交换膜水电解槽(PEMWE)阳极材料中Ru基催化剂在强酸高电位条件下易过氧化、稳定性不足的核心问题，系统综述了通过结构设计、异质原子掺杂、空位工程和界面调控等策略平衡OER活性与稳定性的最新进展。研究揭示了AEM/LOM/OPM三种反应机制与降解机理的关联性，总结出Mn-RuO2 NWs(η10=168mV/150h)等代表性催化体系，为开发高效、稳定、低成本的酸性OER催化剂提供了理论指导和技术路径。

　　

在全球碳中和背景下，质子交换膜水电解槽(PEMWE)因其高质子传导率和快速响应特性，被视为最具前景的绿氢制备技术。然而阳极的酸性析氧反应(OER)涉及多质子/电子耦合过程，需要高昂的贵金属铱(Ir)催化剂，其稀缺性和成本严重制约商业化进程。钌(Ru)因其储量相对丰富、RuO₂本征活性优异成为理想替代品，但强酸性环境下活性位点易过氧化形成高价Ru^4+/5+导致溶解，呈现"高活性必牺牲稳定性"的跷跷板困境。

中国科学院等机构的研究人员系统梳理了Ru基酸性OER催化剂的最新进展，通过解构AEM(吸附物演化)、LOM(晶格氧参与)和OPM(氧化物路径)三种反应机制与降解机理的关联性，提出结构纳米化、电子结构调控和界面优化的协同策略。相关成果发表于《Sustainable Chemistry for Energy Materials》，为设计兼具高活性(η₁₀<200mV)和长寿命(>1000h)的实用化催化剂提供了理论框架。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算揭示Ru-O共价键强度与中间体吸附能的构效关系，结合原位X射线吸收光谱(XAS)追踪Ru价态演变，通过水热法、电沉积等技术制备核壳结构、异质掺杂等催化剂。利用在线电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量金属溶解率，结合质子交换膜电解槽(PEMWE)实机验证性能。

【设计原理】
通过火山图分析确认RuO₂位于最佳活性区间，但高价Ru物种在1.23V以上电位区发生不可逆溶解。Mn-RuO₂等固溶体通过增强Ru-O-Mn相互作用将LOM路径能垒降低0.37eV，而Si-RuO₂通过间隙掺杂抑制晶格氧参与，使稳定性提升5倍。

【结构设计】
核壳结构Ru@V-RuO₂/C HMS中氧空位(V_O)富集的亚纳米外壳保护Ru核免于过氧化，界面应变使*OOH吸附能降低0.15eV。分级纳米线阵列py-RuO₂:Zn通过Zn²⁺诱导的OPM路径实现1000h稳定运行。

【异质原子掺杂】
Er-RuO_x中镧系元素调控Ru-O键长，使平均氧化态稳定在+3.25；Nb_0.1Ru_0.9O₂通过高价位Nb⁵⁺锚定晶格氧，300mA/cm²下衰减率仅52μV/h。

【空位工程】
V-Ru_xMn_1?xO₂纳米线中Mn空位将Ru溶解能提高1.8eV；H_3.8Ir_1?xRu_xO₄通过单原子Ru分散构建电子反馈机制，在2A/cm²下运行1280h。

【界面工程】
RuO₂/BNNS中氮化硼纳米片向Ru供电子形成局域电子循环，350h测试后Ru流失量<3%；牺牲型Mn₃O₄基底优先氧化保护Ru-RuO₂异质结，400h稳定性优于商业IrO₂。

该研究建立了"电子结构-反应路径-稳定性"的调控范式，证实通过精确控制Ru价态(3.2-3.8)、优化Ru-O共价性(键长1.98-2.05?)可协同提升性能。工业级PEMWE测试表明，Ta-RuO₂催化剂在1A/cm²电流密度下过电位较IrO₂降低330mV，已应用于兆瓦级太阳能电解槽。这些发现为突破质子交换膜电解技术贵金属依赖瓶颈提供了关键技术支撑，对推动绿氢产业具有重要意义。