質(zhì)子交換膜電解水（PEMWE）陽極OER催化劑高度依賴Ir基催化劑，導致成本較高。Ru基催化劑因具有更高的OER活性和更低的成本，而備受關(guān)注。但其較差的穩(wěn)定性限制了在PEMWE中的應用。有鑒于此，天津理工大學魯統(tǒng)部、余自友教授團隊報道了一種陰離子工程策略，通過MoO3來穩(wěn)定RuO2表面化學鍵合的硫酸根陰離子，實現(xiàn)了RuO2活性和穩(wěn)定性的提升。所設計的硫酸鹽錨定的RuO2/MoO3多組分催化劑（RuO2/MoO3-SO4）在0.1 M HClO4，10 mA cm-2下過電位為190 mV穩(wěn)定性可保持500 h，電壓降解速率僅為20 μV h-1。在PEMWE性能測試中，50 °C, 500 mA cm-2可保持150 h。
圖1. DFT計算 要點：計算表明*O—*OOH是RuO2(110) OER的決速步且吸附的SO4有利于*OOH的生成。此外SO4的存在可以穩(wěn)定Ru和晶格氧。同時，RuO2與SO4的結(jié)合較弱，需要引入額外的金屬氧化物來穩(wěn)定SO4，其中MoO3與SO4的結(jié)合能最強，可以將SO4錨定在RuO2上。 圖2. RuO2/MoO3-SO4催化劑的OER性能及PEMWE性能 要點：RuO2/MoO3-SO4在0.1 M HClO4中，10 mA cm-2下過電位為190 mV，Tafel斜率僅為38 mV dec-1。RuO2/MoO3-SO4在三電極測試系統(tǒng)中，10 mA cm-2下穩(wěn)定性可保持500 h，其電壓降解速率僅為20 μV h-1，優(yōu)于目前所有的Ru基催化劑。RuO2/MoO3-SO4作為陽極催化劑，在PEMWE測試中，50 °C 1 A cm-2 的電壓僅為1.75 V，且在500 mA cm-2下維持150 h. 圖3. RuO2/MoO3-SO4催化劑穩(wěn)定性分析 要點：通過OER反應前后的XPS，RuO2/MoO3-SO4催化劑在反應后Ru 3p峰位置保持一致，表明MoO3和SO4存在共同保護了RuO2/MoO3-SO4催化劑，防止了Ru的過度氧化。通過測試OER反應前后的XPS和EDS，RuO2/MoO3-SO4催化劑在反應后S沒有發(fā)生流失，表明MoO3存在有助于穩(wěn)定SO4。 總結(jié)：本工作中，通過陰離子改性策略開發(fā)的RuO2/MoO3-SO4催化劑可以作為酸性電解質(zhì)中高效耐用的OER催化劑。MoO3保護了RuO2上的硫酸根陰離子，降低了*O到*OOH的能壘，從而提高了OER活性。MoO3和硫酸鹽陰離子在酸性OER過程中進一步穩(wěn)定了RuO2的表面Ru和晶格O，提高了其OER的穩(wěn)定性。 論文信息 Oxyanion Engineering on RuO2 for Efficient Proton Exchange Membrane Water Electrolysis Ying Duan, Lin-Lin Wang, Wen-Xing Zheng, Dr. Xiao-Long Zhang, Xiao-Ran Wang, Guo-Jin Feng, Prof. Zi-You Yu, Prof. Tong-Bu Lu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202413653
