综述：质子交换膜电解水析氧反应中钌基材料的研究进展

本综述系统探讨钌（Ru）基材料在质子交换膜电解水（PEMWE）析氧反应（OER）中的研究进展，涵盖合成策略、反应机制（AEM、LOM、OPM）、构效关系及活性-稳定性平衡挑战，为降低PEMWE制氢成本与推进产业化提供关键见解。

　　

质子交换膜电解水（PEMWE）技术因其与间歇性可再生能源的卓越兼容性、高转换效率（≥75%）及温和条件下超纯氢生产能力，已成为清洁氢能制备的核心路径。然而，其产业化进程受限于阳极析氧反应（OER）——这是一个动力学迟缓的四电子转移过程，涉及复杂中间体与多重步骤，严重制约PEMWE的整体能效。这一挑战凸显了对低成本、高活性且稳定的酸性OER电催化剂的迫切需求。

在众多候选材料中，钌（Ru）及其氧化物在催化活性与经济性间展现出最佳平衡。钌的价格（约7100美元/磅）显著低于铱（Ir，58000美元/磅），且其本征OER活性更高。然而，钌基材料在长期酸性OER操作中耐久性不足，易被氧化为可溶性的高价RuO₄，导致活性位点溶解与结构坍塌，阻碍其商业化应用。

制备方法对钌基酸性OER催化剂的性能至关重要。综述系统总结了多种合成策略，包括水热/溶剂热法、高温退火、电沉积、溅射及化学还原法等。这些方法通过调控催化剂的物理化学参数与表面活性位点分布，优化其电催化性能。低成本、可控的制备工艺有望进一步降低材料成本，推动钌基催化剂的规模化应用。

理解反应机制是提升催化剂性能的理论基础。酸性OER存在三种主流机制：吸附演化机制（AEM）、晶格氧机制（LOM）和氧空位耦合机制（OPM）。传统AEM机制涉及O、OH、*OOH等吸附中间体的逐步演化，而LOM机制则通过晶格氧直接参与反应，避免生成高价中间体，可能获得超越理论极限的活性。OPM机制则通过氧空位耦合，实现活性与稳定性的协同提升。钌基催化剂在不同条件下可遵循不同机制，其机制转换受表面结构、电子态及操作电位等因素调控。

综述深入分析了多类钌基电催化剂的构效关系：

1. 1.

   金属钌及合金：通过合金化调节电子结构，增强抗溶解能力；

2. 2.

   氧化钌（RuO₂）：通过缺陷工程、异质原子掺杂与界面工程优化活性与稳定性；

3. 3.

   固溶体与单原子催化剂：最大化原子利用率，提升本征活性；

4. 4.

   多金属氧化物（如钙钛矿、烧绿石）：利用协同效应与结构稳定性增强耐久性。

特别地，受OPM机制调控的催化剂展现出活性-稳定性的协同增强，为设计高性能钌基材料提供了新思路。

尽管钌基材料前景广阔，其实际应用仍面临挑战。美国能源部（DOE）设定2026年目标：将Ir/Ru载量降至≤0.5 mg cm^?2，在3 A cm^?2电流密度下槽电压为1.8 V，电堆寿命80000小时且电压衰减率≤2.3 mV kh^?1，制氢成本降至2 USD kg^?1 H₂（2030年进一步降至1 USD kg^?1）。实现这些目标需在材料设计、机制解析与系统集成方面取得突破。

未来研究应聚焦于：开发原位表征技术以实时监测催化剂表面重构与反应路径；通过多维度优化策略平衡活性-稳定性；推进低成本、高载量减少的催化剂制备工艺；加强基础研究与产业化应用间的衔接。

综上所述，钌基酸性OER催化剂在推动PEMWE低成本制氢方面具有巨大潜力，通过理性设计、机制创新与系统优化，有望加速其商业化进程，助力全球清洁能源转型。