卢思宇/刘宝忠Nature子刊：py-RuO2: Zn纳米线助力酸性介质中高效水氧化

在酸性介质中，高效的析氧反应（OER）催化剂是质子交换膜（proton exchange membrane, PEM）电解商业化的迫切需要。基于此，郑州大学卢思宇教授和河南理工大学刘宝忠教授等人报道了一种Zn掺杂的RuO₂纳米线阵列（py-RuO₂: Zn）电催化剂，在酸性条件下具有优异的OER催化性能。在电流密度为10、500和1000 mA cm^-2下，过电位分别低至173、304和373 mV，在10 mA cm^-2下稳定度可达1000 h。

通过DFT计算发现，Zn在配位不饱和Ru（Ru_cus）位置比完全配位桥Ru（Ru_bri）位置更稳定，而桥连O可以形成稳定的空位位点。

对于纯RuO₂，OH吸附剂的强结合导致OER通过AEM路径进行，遵循H₂O→*OH→*O→*OOH→O₂的四质子耦合电子转移步骤。*OOH的形成是速率决定步骤（RDS），具有2.10 eV的大自由能垒。态密度（DOS）和电荷密度差表明，Zn给了O一些电子，Zn的d带中心比Ru低。因此，Zn对*O、*OH和*OOH的吸收较弱。

此外，Zn和Ru之间的电荷差异对OER起着重要的促进作用，导致Zn和Ru上两个吸收的*O的电荷差约为0.1 e，从而促进了O-O耦合的形成，最终形成O₂。由于O空位（V_O）缺陷的存在，RuO₂: Zn_V_O表面的Ru_cus和Zn_cus位点的电荷密度都略有增加，同时Ru带中心远离费米，进一步优化了中间体的吸收。

对于存在V_O缺陷的RuO₂: Zn，OPM的ΔG_max（*O_Ru→*O_Ru…*OH_Zn）进一步减小到1.84 eV。因此，O空位对费米的下移、Zn对*OH较弱的吸收以及Zn和Ru的电荷差协同降低了OER过电位，从RuO₂的0.87 V降至含有O空位的Zn掺杂RuO₂的0.61 V。

Construction of Zn-doped RuO₂ nanowires for efficient and stable water oxidation in acidic media. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-38213-1.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38213-1.

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