質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)相較于其他電解水技術(shù)具電流密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、歐姆損失小、產(chǎn)氣純度高等優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)零碳排放工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵電解水制氫技術(shù)。然而，在質(zhì)子交換膜陽極電解槽發(fā)生的析氧反應(yīng)動力學(xué)較為遲緩，且局部呈酸性（pH≈2），這些工況對于陽極析氧催化劑的活性和穩(wěn)定性提出了較大的挑戰(zhàn)。二氧化釕是目前常用的析氧催化劑之一，但是在析氧過程中晶格氧的參與及金屬離子的溶解導(dǎo)致其催化劑穩(wěn)定性不佳。此外，單一的二氧化釕催化劑質(zhì)量活性也較差。因此，制備低成本、高穩(wěn)定性和高活性的質(zhì)子交換膜電解水析氧催化劑對于工業(yè)化電解水產(chǎn)氫具有重要意義。 近日，澳大利亞格里菲斯大學(xué)趙惠軍院士、劉珀潤副教授和中國科學(xué)院固體物理所尹華杰研究員團(tuán)隊報道了一種通過熱解方法合成的二元釕錫氧化物固溶體催化劑。當(dāng)用于催化酸性環(huán)境中的析氧反應(yīng)時，其電化學(xué)催化活性和穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)二氧化釕催化劑。研究證明其催化性能的提升主要源于拉伸應(yīng)力的引入。
二氧化錫具有與二氧化釕相似的晶體結(jié)構(gòu)，但其晶胞參數(shù)更大。因此，當(dāng)釕原子摻雜到二氧化錫結(jié)構(gòu)中時，較大的二氧化錫晶胞會在釕氧單元上引入拉伸應(yīng)力，從而減弱了釕氧鍵的共價鍵性，優(yōu)化釕氧的電子結(jié)構(gòu)。 實(shí)驗和理論計算結(jié)果證明，與二氧化釕相比，二元釕錫氧化物具有較弱的釕氧鍵，其表面通過晶格氧參與的析氧反應(yīng)途徑被有效抑制，從而顯著提高了催化劑的穩(wěn)定性。理論計算結(jié)果還表明，二元釕錫氧化物的電子結(jié)構(gòu)可以改變析氧反應(yīng)路徑并降低析氧反應(yīng)限制步驟的中間產(chǎn)物吸附能，從而大幅提高其催化活性。 綜上，該工作通過在釕氧單元上引入拉伸應(yīng)力來弱化二元釕錫氧化物固溶體中釕氧鍵的共價鍵性，從而有效抑制晶格氧參與的析氧反應(yīng)機(jī)制、改變析氧反應(yīng)路徑、降低析氧反應(yīng)限制步驟中間產(chǎn)物吸附能，提高催化劑穩(wěn)定性及活性。本文報道的應(yīng)力控制策略為高性能酸性析氧催化劑的研發(fā)提供了一種新的研究思路。 論文信息 Strain-modulated Ru-O Covalency in Ru-Sn Oxide Enabling Efficient and Stable Water Oxidation in Acidic Solution Dr. Yiming Xu, Zhixian Mao, Jifang Zhang, Dr. Jiapeng Ji, Dr. Yu Zou, Dr. Mengyang Dong, Bo Fu, Mengqing Hu, Kaidi Zhang, Ziyao Chen, Prof. Shan Chen, Prof. Huajie Yin, Prof. Porun Liu, Prof. Huijun Zhao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202316029
