第一作者：薛彦荣， 赵继武
通讯作者： 吕旭
通信：阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）。
**doi：
电解水制氢是一种清洁高效的能源生产方法，其中质子交换膜电解制氢技术（PEMWE）因其结构紧凑、工作电流密度高、启停速度快等特点而受到业界的广泛关注。 然而，商业PEMWE面临的一个关键问题是阳极通常需要使用昂贵的铱基催化剂，因此开发低IR含量或更经济含量的非铱析氧（OER）催化剂非常重要。 氧化钌（RuO2）因其相对较低的含量和优异的OER催化活性而被认为是最有前途的铱基催化剂替代品。 然而，RuO2表面存在配位不饱和晶格O，使其在高电位下容易发生过度氧化，导致氧空位（VOs）的形成。 与VO相邻的Ru原子也容易氧化成可溶性**衍生物，导致RuO2晶体结构崩溃，从而降低其稳定性。 因此，解决这一问题对于提高RU基催化剂在PEMWE中的应用至关重要。
有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Lu Xu教授团队。提出了一种含氧阴离子保护策略。 利用含氧阴离子中的配位不饱和O原子与RuO2表面的配位不饱和O原子键合，形成饱和位点，使RuO2表面的晶格O稳定化。 本研究采用密度泛函理论计算、电化学测试及一系列原位光谱实验筛选出BA锚定硫酸盐，可有效防止RU原子的损失，提高RU基催化剂在酸性OER过程中的稳定性。 此外，通过将W原子掺入RuO2晶格中，进一步提高了催化剂的反应活性。 根据理论指导合成BA03(so4)δw0.2ru0.5O2 δ三电极电池中的催化剂，使用 0以5 M H 2 SO4溶液为电解质，在10 mA cm2的恒电流测试中可稳定运行1000 h。 催化剂组装在PEMWE阳极和0当使用5 M H2SO4作为电解质时，它可以在500 mA cm2的水电解电流密度下稳定运行300 h。 本工作为设计稳定可靠的酸性OER催化剂提供了新的思路。
图1DFT 指导 RUO2 稳定性策略
aRUO2（110）晶面中RU原子溶解的理论计算 吉布斯自由能图;bRuo2（110）水晶平面球棒模型;c各种金属元素和硫酸盐在RuO2（110）晶面上的结合能分布;d硫酸盐锚定在RuO2（110）晶面上的球棒模型。
图2催化剂的制备和表征
aba0.3w0.2ru0.5SX的TEM图;bba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的TEM图;cba0.3w0.2ru0.5sx 和 ba03(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的S2P XPS谱图;dHaadf 词干图;eEDS 映射图。
图3OER性能测试
aOER偏振曲线;btafel plots；c群众活动和区域活动;d双电层电容CDL;e经ECSA归一化的OER极化曲线;fOER稳定性摘要;g0.在5 M H 2 SO 4中的稳定性曲线。
图4OER活动机理分析
aruo2的吉布斯自由能图;bRuO2的原位ATR-塞拉斯光谱;cba0.4(so4)δru0.6o2 δ的吉布斯自由能图;d（SO4）ΔRUO2的原位ATR-Eiras谱图δ;eba0.3(so4)δw0.2ru0.5o2 δ的吉布斯自由能图;fba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的原位ATR-塞拉斯光谱;
图5催化剂稳定性机理分析
aRU K-Edge黄烷光谱;bba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的原位Exafs谱图;cruO2的原位Exafs谱图;dOER测试前后的RU 3D XPS光谱;eV（OH）S V（OH）W 在原位ATR-SEIRAS光谱中的强度图;fru 元素的 Pourbaix 图;gba0.3(so4)δw0.2ru0.RU原子在5O2 δ吉布斯自由能图中溶解的理论计算.
图6PEMWE测试
aPEMWE示意图;bPEMWE极化曲线;cPemwe 稳定性总结;d0.PEMWE在5 M H 2 SO 4中的稳定性曲线。
结论
本研究提出了一种含氧阴离子保护机制。 研究团队通过筛选出BA锚定的硫酸盐来抑制晶格O的过度氧化。 同时，通过引入W，降低了催化剂的反应过电位。 两者的结合作用有效提高了RU基催化剂的酸性OER稳定性。 本研究为高稳定性催化剂的设计提供了新的视角和策略。
自谢谢
这项研究必须：北京化工大学庄忠斌教授清华大学王定生教授也阿卜杜拉国王科技大学，Cafer TY**uz教授竭诚为人助阵。
认识团队
吕旭教授他在香港大学获得机械工程学士、硕士和博士学位，2024年至2024年在耶鲁大学化学系进行博士后研究，并于2024年3月在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）成立独立课题组，专注于高压二氧化碳电还原。 自团队成立以来，原创科研成果已发表在Nature Communications（3篇论文）、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal、Journal of the Energy Chemistry等国际顶级期刊上，并在美国西北大学、多伦多大学、巴黎大学、伦敦大学学院、 清华大学、宾夕法尼亚大学、新加坡国立大学等高校保持着密切的科研合作，并得到了沙特阿美、ACWA电力等公司的资助研发的工业级电解槽。团队长期招收优秀博士生和博士后，薪资优厚，科研生活配套设施齐全，设有实验室**：lecskaust.edu.sa。有意者可将简历投递至徐[email protected]。
引用
yanrong xue, jiwu zhao, liang huang, ying-rui lu, abdul malek, ge gao, zhongbin zhuang, dingsheng wang, cafer t. y**uz, and xu lu* stabilizing ruthenium dioxide with cation-anchored sulfate for durable oxygen evolution in proton-exchange membrane water electrolyzers. nature communications. 2023. doi: .