​张森/王国峰/汪淏田Nat. Mater.：用于质子交换膜电解水中持久酸性析氧反应的非铱基电催化剂

利用可再生电力进行电解水是一种有前途和可持续的生产清洁氢（H₂）燃料的途径，目前占主导地位的碱性电解水技术面临许多挑战。利用基于聚合物的质子交换膜（PEM）进行高效的质子转移可以有效地解决上述挑战并显著提高性能，但是缺乏活性、稳定性的酸性析氧反应（OER）催化剂是其中的阻碍。由于铱基电催化剂在酸性OER下具有良好的稳定性，目前仍是PEM电解水实用的阳极催化剂，但由于其成本高、储量少而受到很大限制。

基于此，弗吉尼亚大学张森，匹兹堡大学王国峰和莱斯大学汪淏田（共同通讯）等人报道了一种非铱基催化剂（Ni-RuO₂），它是一种很有前途的替代催化剂，在酸性OER中具有高活性和稳定性，可用于PEM电解水。

通过在RuO₂纳米晶体中掺入镍（Ni）掺杂剂，能够显著提高RuO₂晶格的稳定性，以延长在酸性OER条件下的稳定性。Ni的加入对RuO₂的稳定性的影响是令人印象深刻的：虽然纯RuO₂显示出较差的OER稳定性（在旋转圆盘电极（RDE）上，维持10 mA cm^-2的OER 电流密度时间小于40小时），掺杂Ni的RuO₂ (Ni-RuO₂)催化剂显示出优异的稳定性，大于200小时没有明显的降解。更令人印象深刻的是，Ni-RuO₂催化剂与商业化的Pt/C析氢反应（HER）催化剂在实际的PEM电解槽中显示出在200 mA cm^-2的电流密度下稳定的电解水大于1000小时，这表明它在实际的电解水应用中具有巨大的潜力。

密度泛函理论（DFT）研究和操作微分电化学质谱法（DEMS）分析证实了 RuO₂催化剂的吸附演化机制（AEM），并清楚地表明Ni掺杂可以提高表面Ru和次表面氧的晶格稳定性，这是提高其OER稳定性的原因。此外，Ni-RuO₂催化剂也表现出大大改善的活性，其需要214 mV的小过电位以提供10 mA cm^-2 OER 电流密度和在以2.10 V的电池电压（没有欧姆损耗补偿或IR补偿）在室温下提供1.5-A cm^-2全解水电流。

本文的研究结果不仅为提高RuO₂催化剂的催化性能方面提供了一种有效的方法和新的认识，而且展示了其在实际应用中大规模清洁制备H₂的巨大潜力。虽然Ni-RuO₂催化剂的稳定性能与工业要求（在80 °C 下运行10年以上，提供大于1 A cm^-2的电流密度）之间仍然存在一定的差距，但是使用基于Ru的催化剂实现的这种令人鼓舞的里程碑式的稳定性清楚地表明了在未来取代铱基催化剂的潜力。为了进一步提高Ru基催化剂的稳定性，今后可以进行更多的研究，如温度效应、多元素掺杂等。

Non-iridium-based electrocatalyst for durable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis, Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01380-5

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01380-5.