第一作者：薛彥榮， 趙繼武
通訊作者： 呂旭
通訊：阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）。
**doi：
電解水製氫是一種清潔高效的能源生產方法，其中質子交換膜電解製氫技術（PEMWE）因其結構緊湊、工作電流密度高、啟停速度快等特點而受到業界的廣泛關注。 然而，商業PEMWE面臨的乙個關鍵問題是陽極通常需要使用昂貴的銥基催化劑，因此開發低IR含量或更經濟含量的非銥析氧（OER）催化劑非常重要。 氧化釕（RuO2）因其相對較低的含量和優異的OER催化活性而被認為是最有前途的銥基催化劑替代品。 然而，RuO2表面存在配位不飽和晶格O，使其在高電位下容易發生過度氧化，導致氧空位（VOs）的形成。 與VO相鄰的Ru原子也容易氧化成可溶性**衍生物，導致RuO2晶體結構崩潰，從而降低其穩定性。 因此，解決這一問題對於提高RU基催化劑在PEMWE中的應用至關重要。
有鑑於此，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的Lu Xu教授團隊。提出了一種含氧陰離子保護策略。 利用含氧陰離子中的配位不飽和O原子與RuO2表面的配位不飽和O原子鍵合，形成飽和位點，使RuO2表面的晶格O穩定化。 本研究採用密度泛函理論計算、電化學測試及一系列原位光譜實驗篩選出BA錨定硫酸鹽，可有效防止RU原子的損失，提高RU基催化劑在酸性OER過程中的穩定性。 此外，通過將W原子摻入RuO2晶格中，進一步提高了催化劑的反應活性。 根據理論指導合成BA03(so4)δw0.2ru0.5O2 δ三電極電池中的催化劑，使用 0以5 M H 2 SO4溶液為電解質，在10 mA cm2的恆電流測試中可穩定執行1000 h。 催化劑組裝在PEMWE陽極和0當使用5 M H2SO4作為電解質時，它可以在500 mA cm2的水電解電流密度下穩定執行300 h。 本工作為設計穩定可靠的酸性OER催化劑提供了新的思路。
圖1DFT 指導 RUO2 穩定性策略
aRUO2（110）晶面中RU原子溶解的理論計算 吉布斯自由能圖;bRuo2（110）水晶平面球棒模型;c各種金屬元素和硫酸鹽在RuO2（110）晶面上的結合能分布;d硫酸鹽錨定在RuO2（110）晶面上的球棒模型。
圖2催化劑的製備和表徵
aba0.3w0.2ru0.5SX的TEM圖;bba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的TEM圖;cba0.3w0.2ru0.5sx 和 ba03(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的S2P XPS譜圖;dHaadf 詞幹圖;eEDS 對映圖。
圖3OER效能測試
aOER偏振曲線;btafel plots；c群眾活動和區域活動;d雙電層電容CDL;e經ECSA歸一化的OER極化曲線;fOER穩定性摘要;g0.在5 M H 2 SO 4中的穩定性曲線。
圖4OER活動機理分析
aruo2的吉布斯自由能圖;bRuO2的原位ATR-塞拉斯光譜;cba0.4(so4)δru0.6o2 δ的吉布斯自由能圖;d（SO4）ΔRUO2的原位ATR-Eiras譜圖δ;eba0.3(so4)δw0.2ru0.5o2 δ的吉布斯自由能圖;fba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的原位ATR-塞拉斯光譜;
圖5催化劑穩定性機理分析
aRU K-Edge黃烷光譜;bba0.3(so4)δw0.2ru0.5O2 δ的原位Exafs譜圖;cruO2的原位Exafs譜圖;dOER測試前後的RU 3D XPS光譜;eV（OH）S V（OH）W 在原位ATR-SEIRAS光譜中的強度圖;fru 元素的 Pourbaix 圖;gba0.3(so4)δw0.2ru0.RU原子在5O2 δ吉布斯自由能圖中溶解的理論計算.
圖6PEMWE測試
aPEMWE示意圖;bPEMWE極化曲線;cPemwe 穩定性總結;d0.PEMWE在5 M H 2 SO 4中的穩定性曲線。
結論
本研究提出了一種含氧陰離子保護機制。 研究團隊通過篩選出BA錨定的硫酸鹽來抑制晶格O的過度氧化。 同時，通過引入W，降低了催化劑的反應過電位。 兩者的結合作用有效提高了RU基催化劑的酸性OER穩定性。 本研究為高穩定性催化劑的設計提供了新的視角和策略。
自謝謝
這項研究必須：北京化工大學莊忠斌教授清華大學王定生教授也阿卜杜拉國王科技大學，Cafer TY**uz教授竭誠為人助陣。
認識團隊
呂旭教授他在香港大學獲得機械工程學士、碩士和博士學位，2024年至2024年在耶魯大學化學系進行博士後研究，並於2024年3月在沙地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）成立獨立課題組，專注於高壓二氧化碳電還原。 自團隊成立以來，原創科研成果已發表在Nature Communications（3篇論文）、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal、Journal of the Energy Chemistry等國際頂級期刊上，並在美國西北大學、多倫多大學、巴黎大學、倫敦大學學院、 清華大學、賓夕法尼亞大學、新加坡國立大學等高校保持著密切的科研合作，並得到了沙特阿美、ACWA電力等公司的資助研發的工業級電解槽。團隊長期招收優秀博士生和博士後，薪資優厚，科研生活配套設施齊全，設有實驗室**：lecskaust.edu.sa。有意者可將簡歷投遞至徐[email protected]。
引用
yanrong xue, jiwu zhao, liang huang, ying-rui lu, abdul malek, ge gao, zhongbin zhuang, dingsheng wang, cafer t. y**uz, and xu lu* stabilizing ruthenium dioxide with cation-anchored sulfate for durable oxygen evolution in proton-exchange membrane water electrolyzers. nature communications. 2023. doi: .