吉林大学/中山大学JACS：氧空位空间调控实现超长寿命酸性析氧钌基催化剂

云深

2025-12-25

全文概要

吉林大学/中山大学姚向东研究团队报道了一种通过精确调控氧化钌（RuO₂）中氧空位（O_V）的空间分布与密度，显著提升其在酸性析氧反应（OER）中稳定性与活性的策略。该研究结合理论计算与实验，揭示了氧空位间距对催化性能的定量构效关系。所制备的h-RuO_2‑δ纳米片（O_V密度33%）在质子交换膜水电解槽（PEMWE）中实现了1 A cm⁻²@1.63 V的高活性与超过120小时的超长稳定性，远超商业RuO₂。

本文要点

1. 机制发现：理论计算表明，RuO₂中氧空位间距（受O_V密度调控）主导其活性-稳定性平衡：活性随间距减小呈指数衰减，稳定性呈类高斯分布。最优的 meta-OVS构型（间距~6.30 Å）能弱化界面水氢键网络，促进水离解，并增强结构稳定性。

2. 催化剂合成：通过简便沉淀-空气退火法制备了二维超薄h-RuO_2‑δ纳米片（厚度1.0–1.5 nm），其限域结构有利于氧空位的平面内可控分布。

3. 性能表现：在三电极体系中，最优h-RuO_2‑δ在10 mA cm⁻²过电位为247 mV，稳定性超过600小时（衰减率0.14 mV h⁻¹）。在PEMWE全电池中，于~80°C、1.63 V电压下实现1 A cm⁻²工业级电流密度，并稳定运行120小时。

4. 机理阐释：原位红外与DFT计算证实，适中的O_V密度优化了*OOH中间体的吸附/脱附动力学，并抑制了反应过程中氧空位的过度累积与结构坍塌，从而同时提升活性与耐久性。

文献详情
Dongdong Zhang, Qilong Wu, Yun Han, et al. Super Durable Acidic Oxygen Evolution Catalyst of Ruthenium Oxide for Proton Exchange Membrane Electrocatalytic Water Splitting, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c16939

全文链接
https://doi.org/10.1021/jacs.5c16939