突破活性-稳定性权衡：Ta/B共掺杂纳米多孔RuO2实现高效酸性氧析出催化

研究人员针对RuO2在酸性氧析出反应(OER)中活性与稳定性难以兼得的难题，通过Ta/B共掺杂策略构建了具有Ru-O-Ta框架和Ru-O-B活性位点的纳米多孔催化剂。该材料在0.5 M H2SO4中表现出170 mV的低过电位和44 mV dec-1的塔菲尔斜率，质子交换膜水电解槽(PEMWE)在1.6 V电压下实现1.0 A cm-2电流密度并稳定运行120小时。研究通过调控电子结构和反应路径，为设计高性能酸性OER催化剂提供了新范式。

　　

在应对全球能源转型的背景下，质子交换膜水电解(PEMWE)技术因其高效率和高纯度产氢特性成为研究热点。然而，该技术的核心瓶颈在于阳极氧析出反应(OER)催化剂面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：目前商用的IrO₂催化剂资源稀缺且成本高昂，而替代材料RuO₂虽具有更优的氧中间体吸附能，却因晶格氧介导机制(LOM)导致活性位点溶解，在酸性环境中稳定性欠佳。这一矛盾严重制约了PEMWE技术的大规模应用，如何打破活性-稳定性之间的权衡关系成为领域内亟待解决的科学难题。

湖南大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出了一种Ta/B双元素共掺杂策略，成功制备出具有Ru-O-Ta框架和Ru-O-B活性位点的纳米多孔RuO₂催化剂(Ta/B-RuO₂)。该材料在0.5 M H₂SO₄电解液中展现出突破性的催化性能：仅需170 mV过电位即可达到10 mA cm^-2的电流密度，塔菲尔斜率低至44 mV dec^-1，远超商业RuO₂和单掺杂B-RuO₂。更令人瞩目的是，基于该催化剂的PEMWE在1.6 V工作电压下可实现1.0 A cm^-2的高电流密度，并在200 mA cm^-2条件下稳定运行120小时而无明显衰减，这一性能已达到实际应用门槛。

研究团队采用了多尺度表征与理论计算相结合的研究方法：通过熔体纺丝和电化学腐蚀技术构建纳米多孔结构；利用同步辐射X射线吸收光谱(XAS)和原位拉曼光谱揭示电子结构演变；结合差分电化学质谱(DEMS)和同位素标记技术解析反应机理；最后通过密度泛函理论(DFT)计算阐明活性位点的作用机制。

合成与表征

通过熔体纺丝-电化学腐蚀-退火三步法成功制备了具有核壳结构的Ta/B-RuO₂，HAADF-STEM显示材料具有3.20 ?间距的RuO₂(110)晶面特征。XPS和EPR分析证实Ta/B共掺杂显著增加了表面氧空位浓度，而Ru K-edge XANES显示Ru的氧化态介于0至+4之间，这种电子结构的精准调控为高性能催化奠定了基础。

OER与PEMWE性能

电化学测试显示Ta/B-RuO₂的质量活性是商业RuO₂的8.7倍。原位XAS监测发现Ta原子通过电子转移稳定了Ru位点，使催化剂在80小时恒流测试中保持1.4 V稳定电位。PEMWE测试中，Ta/B-RuO₂在1.0 A cm^-2时的电压比商业催化剂低200 mV，且衰减速率降低20倍。

催化机制解析

原位DEMS同位素实验表明，Ta掺杂将晶格氧参与比例从12%降至7%，使反应主要遵循吸附质演化机制(AEM)。DFT计算揭示B掺杂优化了Ru 4d-O 2p轨道杂化，将决速步能垒从0.53 eV降至0.45 eV；而Ta通过形成Ru-O-Ta框架，既稳定了桥接氧又实现了氧空位的动态补充。

这项研究通过多元素协同掺杂策略，首次在原子尺度实现了RuO₂催化剂活性位点的电子结构和配位环境双重调控。特别值得关注的是，Ta原子在反应过程中表现出独特的"电子缓冲器"功能：在低电位下促进氧空位形成以增强活性，在高电位下通过电子转移抑制Ru过氧化。这种动态自适应机制为设计新一代酸性OER催化剂提供了重要启示，使PEMWE向低成本、长寿命方向迈出关键一步。研究成果不仅解决了Ru基催化剂在酸性介质中的稳定性难题，更为多元素协同催化体系的理性设计提供了普适性策略。