Science Advances刊发韩云虎教授团队最新成果
近日，柔性电子全国重点实验室、化学与生命科学学院韩云虎教授与奥克兰大学王子运教授合作，在质子交换膜电解水制氢领域取得最新研究进展。相关成果以“Heterophase RuO2 oxygen evolution catalyst for durable proton exchange membrane water electrolysis”为题发表在国际学术期刊Science Advances上。韩云虎教授和王子运教授为共同通讯作者。
质子交换膜水电解器（PEMWE）作为绿色制氢技术的核心装置，因其高电流密度、快速响应以及高纯度产氢等优势而备受关注。然而，阳极所处的强酸性环境使析氧反应（OER）必须依赖贵金属催化剂，而 OER 本身又具有动力学迟缓的内在特性。当前，铱基催化剂表现出优异性能，但其极度稀缺且价格昂贵，严重制约了 PEMWE 的大规模应用。相比之下，钌基材料因成本仅约为铱的八分之一且 RuO₂具有极高的 OER 本征活性，被认为是最具潜力的替代方案。然而，RuO₂在酸性条件下极易发生过氧化，生成可溶性的 RuO₄，导致结构坍塌和 Ru 物种溶解，其长期稳定性远不能满足实际应用需求。因此，如何在提升活性的同时实现高稳定性，成为推动非铱 PEMWE 商业化的关键科学与工程难题。
针对这一问题，研究者已探索了多种策略。例如，通过引入 Mo 等金属进行掺杂，可以调控 RuO₂的局域电子结构，在一定程度上抑制过氧化过程，但往往伴随着本征活性的降低。另一方面，构建无定形–晶体（AC）异相结构可产生丰富的界面活性位点，并提高结构柔性。然而，由于缺乏有效的电子结构调控，该类异相结构仍难以在高阳极电位下彻底抑制 Ru 的溶解。这一现状暴露出当前材料设计中的突出不足：上述策略往往被孤立使用，缺乏电子调控与结构工程之间的内在协同。基于此，本文提出一种全新的设计理念，即将 Mo 掺杂的电子效应与 AC 异相结构的结构优势进行有机耦合，以突破钌基催化剂的活性–稳定性权衡。
该协同结构实现了功能的空间分离：晶态区域保障高效电子传输，无定形基体作为柔性缓冲层以吸收结构应力，而位于界面的 Mo 掺杂原子通过降低 Ru 的氧化态、削弱 Ru─O 共价性，对 Ru 活性位点进行电子钝化，从而显著提高过氧化反应的能垒。最终获得的非晶-结晶异相Mo掺杂RuOx催化剂，显示出极为优异的活性和稳定性。酸性OER中10 mA/cm2过电位仅180 mV，且在该电流密度下稳定运行超3000小时（商用RuO2的100倍）；PEMWE器件中，该催化剂在工业级电流密度下表现出创纪录耐久性：1.0 A/cm2下稳定运行≥2000小时，1.5 A/cm2下稳定运行1000小时。
原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aea4543
撰稿：唐一帆 编辑：彭芃 初审：韩云虎 终审：罗志敏