海南大学最新AFM：CoSA/RuO2催化剂实现PEMWE的高稳定性

通过质子交换膜水电解（PEMWE）高效、可持续地制氢，需要开发耐用且低成本的析氧反应（OER）催化剂。

2025年10月16日，海南大学康振烨、梁颖、饶鹏在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《Locking the Lattice Oxygen in Commercial RuO₂ for High Stable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis》的研究论文，Yanhui Yu为论文第一作者，康振烨、梁颖、饶鹏为论文共同通讯作者。

在本文中，作者制备了一种耐用的酸性析氧反应（OER）催化剂，将单原子Co掺杂到商业RuO₂中（Co_SA/RuO₂），并通过实验验证Co位点抑制了商业RuO₂中晶格氧的迁移，从而消除了稳定性受限的晶格氧氧化机制，显著提升了催化剂的稳定性。

Co_SA/RuO₂在质子交换膜水电解（PEMWE）中仅需1.662 V电压即可达到1 A cm^-2电流密度，且在200 mA cm^-2下稳定运行超550 h，性能几乎无衰减，为开发高性能、高稳定RuO₂基OER催化剂并替代昂贵Ir基催化剂提供了新思路。

图1：原子级分散Co改性RuO₂增强稳定性的示意图。（a）RuO₂（左上角）和（b）Co_SA/RuO₂（左下角）的晶体结构模型。图示展示了RuO₂的晶格氧氧化机制（LOM）路径（中上）和Co_SA/RuO₂的原子经济机制（AEM）路径（中下）。示意性地展示了在酸性OER条件下RuO₂（右上角）和Co_SA/RuO₂（右下角）的结构变化。

图2：Co_SA/RuO₂的精细结构表征。（a）Co_SA/RuO₂的HRTEM图像；（b）Co_SA/RuO₂的AC HAADF-STEM图像（黄色圆圈标示RuO₂上的原子Co位点）；（c）Co_SA/RuO₂的EDS元素分布图；（d）Co_SA/RuO₂与RuO₂的高分辨C 1s和Ru 3d XPS谱，显示Co到Ru的电子转移；（e）Co K边XANES谱；（f）Co K边EXAFS谱；（g）Ru K边XANES谱；（h）Ru K边EXAFS谱；（i）Co_SA/RuO₂与参比样品的O K边XANES谱。

图3：Co_SA/RuO_₂与参比催化剂的电催化性能。（a）0.5 m H₂SO₄中的LSV曲线；（b）Co_SA/RuO₂与参比催化剂的Tafel斜率；（c）按ECSA归一化的Co_SA/RuO₂与参比催化剂的LSV曲线；（d）10 mA cm^-2下Co_SA/RuO₂、RuO₂-P和RuO₂的计时电位曲线；（e）Co_SA/RuO₂的放大图。

图4：活性结构与反应路径的识别。（a）Co_SA/RuO₂在不同电位下记录的原位Ru K边XANES谱；（b）从这些数据中提取的Ru氧化态。原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱：（c）Co_SA/RuO₂和（d）RuO₂在不同电位下记录。原位拉曼光谱：（e）Co_SA/RuO₂和（f）RuO₂在不同电位下记录。时间依赖的DEMS信号：（g）Co_SA/RuO₂和（h）RuO₂催化OER产生的³²O₂、³⁴O₂和³⁶O₂。（i）Co_SA/RuO₂和RuO₂催化OER的LOM路径贡献。

图5：密度泛函理论（DFT）计算结果。（a）RuO₂和Co_SA/RuO₂表面Ru位点的Bader电荷和局域磁矩；（b）RuO₂和Co_SA/RuO₂表面Ru位点的电子结构，箭头指示自旋向上和自旋向下的d带中心；（c）RuO₂和Co_SA/RuO₂表面OH、O和OOH中间体吸附自由能对比；（d）RuO₂和Co_SA/RuO₂表面OER路径的吉布斯自由能图；（e）Ru位点自旋向下的d带中心与OER活性的相关性；（f）RuO₂和Co_SA/RuO₂的ICOHP值对比；（g）RuO₂和Co_SA/RuO₂中局域Ru-O晶格键长及ICOHP值；（h）Co_SA/RuO₂中局域Ru-O晶格-Co结构的Ru-O晶格键ICOHP分析，以及RuO₂中对应的Ru-O晶格键ICOHP分析。

图6：Co_SA/RuO₂||Pt/C和RuO₂||Pt/C质子交换膜水电解槽性能。（a）以CoSA/RuO₂和Pt/C分别为负极和正极催化剂的装置示意图；（b）装置实物图。在80 °C下记录的（c）Co_SA/RuO₂||Pt/C、RuO₂-P||Pt/C和RuO₂||Pt/C装置的极化曲线，显示Co_SA/RuO₂||Pt/C的电池电压在所有电流密度下均低于RuO₂||Pt/C；（d）在0.2 A cm^-2下记录的Co_SA/RuO₂||Pt/C和RuO₂||Pt/C装置的计时电位曲线，前者在运行超过550小时后几乎无活性损失。

综上，作者通过等离子体处理在商业RuO₂中引入单原子Co（Co_SA/RuO₂），有效抑制晶格氧参与反应（LOM路径），稳定氧析出反应（OER）过程，提升催化活性与稳定性。

该催化剂在质子交换膜水电解器（PEMWE）中表现出低电压（1.662 V@1 A cm^-2）和超过550 h的稳定运行性能，为开发高效、稳定的低成本OER催化剂提供了可行路径，具有广阔的工业应用前景。

Locking the Lattice Oxygen in Commercial RuO₂ for High Stable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202523636.