近日，四川大學化學工程學院康毅進教授團隊聯(lián)合加州理工學院William A. Goddard教授團隊在《Science》發(fā)表了題為“Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalystsfor industrial water electrolysis”的文章。

　　四川大學化學工程學院在讀博士生張佳豪、新加坡國立大學材料科學與工程系助理教授付先彪和加州理工學院科學研究員Soonho Kwon博士為該論文的共同第一作者，通訊作者為四川大學康毅進教授和加州理工學院William A. Goddard教授。論文第一單位為四川大學化學工程學院。

　　氫氣作為重要的化工原料被大量應用于合成氨、合成甲醇、石油煉化和煤化工等行業(yè)，服務于國計民生;同時，因反應過程零碳排放，氫氣被視為重要的零碳燃料，有望成為未來的能源載體。發(fā)展綠色、高效和可持續(xù)的制氫技術，是推動綠色化工發(fā)展，助力碳達峰和碳中和的重要途徑。質子交換膜電解水(PEM-WE)技術具有工作電流密度大(產氫速率高)、產氫純度高(>99.99%)、高氫氣輸出壓力和快速響應能力等特性，表現(xiàn)出對波動性可再生能源系統(tǒng)強大的適配性，是一種極具前景的可持續(xù)綠氫制備技術。但PEM-WE的陽極析氧反應 (OER) 較高的反應勢壘和遲滯的動力學制約著整體電解水制氫效率。此外，電解過程中產生的大量H+在質子交換膜上形成局部酸性環(huán)境以及陽極的高氧化電位，嚴重影響陽極OER催化劑的穩(wěn)定性。Ir基氧化物是當前最穩(wěn)定的酸性OER催化劑，然而Ir資源的極度稀缺性和高昂的價格極大制約了此類催化劑的大規(guī)模應用。鑒于此，開發(fā)兼具高活性與穩(wěn)定性的非Ir陽極催化劑有助于推動PEM電解制氫技術更廣闊的商業(yè)化應用。

　　Ru基氧化物因優(yōu)異的析氧活性被視為另一類潛在的PEM電解水陽極催化劑，然而其穩(wěn)定性相較于Ir基催化劑表現(xiàn)出明顯劣勢。理解RuO2結構失效機制為指導設計高穩(wěn)定性RuO2催化劑提供了底層邏輯。當前針對Ru基氧化物的穩(wěn)定性優(yōu)化策略已被廣泛報導，但圍繞RuO2的結構失效機制仍未明晰，且常用的納米顆粒催化體系中復雜的表面結構和晶面組成給原子層面研究催化劑失效機制帶來了巨大挑戰(zhàn)。

　　康毅進教授團隊基于不同晶面取向的RuO2單晶薄膜模型催化劑，從原子尺度解析了RuO2催化劑表面溶出/重構過程，發(fā)現(xiàn)在OER條件下RuO2催化劑經高價Ru物種溶出同時伴隨著亞納米尺度RuO2團簇的表面剝離，進而引發(fā)RuO2催化劑表面重構，導致RuO2催化劑結構快速失效。模型實驗和理論計算表明，引入Ta可有效抑制該失效過程。在此發(fā)現(xiàn)的基礎上，設計制備了Ta0.1Ru0.9O2陽極催化劑，在工業(yè)電流密度1 A cm-2下，實現(xiàn)了2800小時穩(wěn)定性。

　　單晶模型催化實驗的發(fā)現(xiàn)為設計穩(wěn)定Ru基OER催化劑提供了新的見解和指導，模型催化結合理論計算為穩(wěn)定非Ir陽極催化劑尤其是Ru基催化劑的設計提供了方法論的參考，同時該研究成果極大拓展了Ru基PEM-WE制氫膜電極的應用前景。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938