中科院长春应化所Nature子刊：氧化钌对稳定水氧化的定制反应路径

钌（Ru）基酸性析氧（OER）电催化剂稳定性差，阻碍了其在聚合物电解质膜电解槽（PEMWEs）中的应用。以偏差影响为中心的对性能退化的传统理解无法描述稳定性趋势，需要深入研究失活的根本原因。

基于此，中科院长春应用化学研究所葛君杰研究员、邢巍研究员和王颖副研究员（共同通讯作者）等人报道了反应途径（包括催化机理和中间体结合强度）对Ru基催化剂操作稳定性的决定性作用。以MRuO_x（M=Ce⁴⁺、Sn⁴⁺、Ru⁴⁺、Cr⁴⁺）固溶体为结构模型，通过控制Ru电荷来确定反应路径，从而确定反应稳定性。其中，筛选出SnRuO_x催化剂在1.48 V下表现出2360 A g_Ru⁻¹的高本征活性，TOF为AEM机制下的最高值，为0.63 s⁻¹。

此外，该催化剂表现出目前最好的运行稳定性，在100 mA cm⁻²下，在41.65 μg_cat cm⁻²的低催化剂负载下，250 h的过电位仅增加了26.8 mV。在PEM电解槽中，在1 A cm⁻²的1300 h耐久性测试中，降解速率仅为53 μV h⁻¹，将Ru基催化剂的寿命提高了几个数量级。

作者对基于RuO₂(110)构建Ru-O-M基元的M_0.5Ru_0.5O₂仿真模型进行了DFT计算。通过计算Ru-O-M中Ru的电荷发现，随着M⁴⁺的电负性从1.608（Ce⁴⁺）增加到1.861（Cr⁴⁺），Ru的电荷从1.49（Ce_0.5Ru_0.5O₂）增加到1.57 （Cr_0.5Ru_0.5O₂）。

作者还评估了在Ru位点的AEM和LOM反应路径中，理论OER活性对Ru电荷的依赖性，因为M（M=Ce、Sn、Cr）位点在两种反应路径下都具有极差的活性。

此外，作者还计算了M_0.5Ru_0.5O₂的理论OER过电位，Sn_0.5Ru_0.5O₂样品具有中等Ru电荷，代表了最低的理论OER过电位。对于低（Ce_0.5Ru_0.5O₂）和高Ru（RuO₂和Cr_0.5Ru_0.5O₂）电荷的样品，观察到OER过电位的增加。

随着Ru电荷的增加，M_0.5Ru_0.5O₂的电位决定步骤（PDS）从OH*/O*转变为O*/OOH*，这是Ru-O*结合的加强。因此，Ru位点电荷可以用于指示AEM反应活性。

Customized reaction route for ruthenium oxide towards stabilized water oxidation in high-performance PEM electrolyzers. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-36380-9.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-36380-9.