在制氢过程中，阳极析氧反应（OER）限制了能量转换效率，也影响了质子交换膜水电解槽的稳定性。目前广泛使用的Ir基催化剂活性不足，而活性较高的Ru基催化剂在OER条件下又容易溶解。这与晶格氧（晶格氧氧化机制（LOM））的参与有关，LOM可能导致晶体结构的崩塌，加速活性Ru物种的浸出，导致其稳定性较低。
近日，复旦大学彭慧胜教授，张波教授，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent报道了采用一种双调节策略来抑制LOM和调节活性Ru位点的电子结构。
文章要点
1）研究人员在金红石型Ru基氧化物中掺入少量碱土金属（Sr）和Ir。通过密度泛函理论（DFT）计算筛选，优化了两种调节剂（Sr、Ir）的配比，获得了具有高活性、高稳定性的Ru位点。然后采用溶胶−凝胶法合成了这些催化剂。
2）实验结果显示，具有最佳性能的SrRuIr氧化物催化剂在10 mA cm−2时，获得了190 mV的低过电位，并在1500小时后保持在223 mV。X射线吸收光谱和18O同位素标记的质谱研究表明， SrRuIr氧化物催化剂的出色稳定性源于Ru−O−ir局域结构中的相互作用，抑制了OER过程中的LOM途径。这种高活性是由于Sr和Ir掺杂后形成的高价Ru位点上的氧中间结合能优化的结果。
3）研究人员将SrRuIr氧化物催化剂应用于质子交换膜电解槽，结果显示，其在1 A cm−2时可获得1.50 V的低全电池电压。
这项工作将为开发高活性和稳定的OER电催化剂以及其他电催化应用提供了参考。
参考文献
Yunzhou Wen, et al, Stabilizing Highly Active Ru Sites by Suppressing Lattice Oxygen Participation in Acidic Water Oxidation, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c00384
https://doi.org/10.1021/jacs.1c00384
