第一作者：Guoqiang Zhao

通訊作者：孫文平

通訊單位：浙江大學

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開發高效、耐用的析氧反應（OER）電催化劑對于質子交換膜水電解（PEMWE）至關重要。氧化釕（RuO₂）本身具有高OER活性，但同時存在的電化學溶解導致了快速失活。

本研究中，浙江大學孫文平團隊報道了一種含有金屬釕-釕相互作用（m-RuO₂）的獨特RuO₂催化劑，該催化劑在實際PEMWE中60℃和1 A cm^–2的條件下能穩定運行100小時。

實驗和理論研究表明，釕-釕相互作用的存在顯著增加了形成RuO₂(OH)₂的能壘，它是釕溶解的關鍵中間體，從而大幅減輕了m-RuO₂的電化學腐蝕。同時，Ru4d的帶心下移，相應地保證了高OER活性，并且在釕-釕位點處晶格氧參與OER也被抑制，進一步有助于增強耐久性。

有趣的是，這種增強的穩定性還依賴于金屬釕-釕團簇的大小，對于Ru₃，能壘進一步增加，但對于Ru₅則降低。這些結果突出了局部配位結構調節對RuO₂電化學穩定性的重要性，并為開發高性能PEMWE的穩健OER電催化劑提供了一條可行的途徑。

圖文導讀

圖1：m-RuO₂的結構表征結果，包括TEM圖像、HAADF-STEM圖像、XPS光譜、EXAFS光譜以及RuO₂的電子結構。

圖2：樣品在0.5 M H₂SO₄中的OER性能，包括LSV曲線、多步計時電流法測試以及使用m-RuO₂和r-RuO₂作為陽極催化劑的PEMWEs的LSV曲線和電池電壓。

圖3：OER過程中/后的樣品結構表征結果，包括¹⁸O比率、Ru K邊的k^3?EXAFS光譜以及r-RuO₂和m-RuO₂在OER期間的原位同步輻射ATR-FTIR光譜。

圖5：基于DFT計算的OER性能，包括通過AEM和LOM的OER自由能曲線以及不同催化劑的溶解過程的自由能曲線。

總結展望

本研究開發了一種新型的RuO₂基OER電催化劑，通過引入金屬釕-釕相互作用顯著提高了催化劑的穩定性。

實驗結果表明，m-RuO₂在高工作電位下展現出優異的穩定性，能夠在60℃和1 A cm^–2的條件下穩定運行100小時而沒有明顯溶解。理論計算證實，釕-釕相互作用能夠提高形成RuO₂(OH)₂的能壘，從而減緩了Ru的溶解過程。此外，Ru4d帶心的下移有助于提高OER活性，并抑制了晶格氧在OER中的參與。

值得注意的是，穩定性增強與釕團簇的大小有關，Ru₃團簇顯示出更高的能壘，而Ru₅團簇則降低。本研究不僅增進了對RuO₂穩定性本質的理解，而且為開發用于成本效益高的PEMWE的穩健OER電催化劑提供了有效的策略。

文獻信息

標題：Metallic Ru-Ru Interaction in Ruthenium Oxide Enabling Durable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202404213