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天津大学朱胜利团队/中科院大连化物所陈忠伟院士团队AM: 八面体Ru中心调控晶格共价性和界面PCET以稳定酸性析氧反应

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第一作者:段忠辛

通讯作者:高忠辉、陈忠伟、朱胜利

通讯单位:天津大学、中国科学院大连化学物理研究所

论文DOI:10.1002/adma.75123

背景介绍

PEM水电解能够在较高电流密度下工作,但其酸性阳极环境对析氧催化剂提出了严苛要求。Ir基氧化物虽可用于酸性条件,贵金属用量和成本仍是重要考量;Ru基材料具有较高析氧活性,却容易在高电位下发生过度氧化和溶出。过渡金属尖晶石为降低贵金属用量提供了材料平台,但活性位点重构和金属溶解同样限制其寿命。该工作将亲氧性的Ru单原子精准锚定在CoMn尖晶石八面体位点,同时调控晶格电子结构和界面质子耦合电子转移(PCET),在提升OER动力学的同时抑制Co过度氧化,实现高活性与长寿命兼顾。

图文解析

研究首先在碳布上形成MnCo基纳米片前驱体,经氧化、离子交换和二次退火得到Ru–MnCo2Ox。SEM和TEM表明,引入Ru后纳米片阵列仍保持完整;HAADF-STEM中的孤立亮点及元素分布结果表明Ru在材料中高度分散,没有明显团簇形成,为后续位点级调控奠定结构基础。


图1|Ru‑MnCo2Ox合成工艺与微观结构表征

Ru K边EXAFS未观察到明显Ru–Ru配位,第一配位壳层接近六配位;DFT计算显示Ru取代Mn八面体位点的构型具有最低形成能(−3.303 eV)。与此同时Co、Mn的XANES证明Ru掺杂降低金属平均价态;O K‑edge XANES与RIXS证实Ru‑O轨道强杂化,晶格产生氧空穴,提升M‑O共价性。


图2 X射线吸收谱与理论解析电子与局域配位结构

在三电极测试中,Ru–MnCo2Ox达到10和50 mA cm-2分别需要203和260 mV过电位,Tafel斜率为63.4 mV dec-1,并在10 mA cm-2下运行超过500 h。进一步组装Ru–MnCo2Ox||Pt/C电解槽,在80 ℃、1.0 A cm-2时电压为1.68 V,低于文中商业RuO2||Pt/C对照的2.10 V;在0.5 A cm-2时稳定运行超过300 h。


图3 三电极酸性OER性能与PEMWE器件性能

Operando EXAFS发现,未掺Ru的MnCo2Ox随电位升高出现明显Co–O配位损失和键长增加,而Ru-MnCo2Ox能够基本维持Co配位环境。原位Raman进一步显示,MnCo2Ox在高电位下出现CoO2相关信号,而Ru-MnCo2Ox的尖晶石振动特征整体保持稳定。此外,Ru还改变了界面水结构:Ru-MnCo2Ox表面具有更高比例的自由水/弱氢键水,同时呈现更明显的振动Stark响应。这意味着Ru不仅稳定催化剂晶格,还削弱过强的界面氢键束缚,使质子更容易从界面移除,从而加快PCET过程。


图4|八面体Ru中心抑制Co过度氧化和结构重构,同时重塑界面氢键网络以促进质子转移和PCET

原位ATR-SEIRAS在Ru–MnCo2Ox上观察到约1100和1024 cm-1的信号,其中约1100 cm-1的特征被研究者与桥联M–O–O–M物种联系起来;对照样品主要出现约1071 cm-1的*OOH相关信号。18O标记结合DEMS在Ru样品上检测到36O2,而对照样品中未观察到明显36O2;TMA+探针结果也不支持显著的晶格氧参与机制(LOM)贡献。计算得到Ru–MnCo2Ox上OPM路径的关键步骤能垒为1.61 eV,低于所计算AEM路径的1.96 eV。多种证据共同支持Ru引入后OPM路径更加有利。


图5|原位红外光谱、DEMS测试和理论计算共同表明,Ru–O–Co协同位点促进M–O–O–M直接偶联,使OER更倾向于OPM路径。

总结与展望

这项工作的关键并非简单“Ru掺杂”,而是强调Ru的位点特异性作用:将Ru精准放入尖晶石八面体位点后,一方面增强Ru–O共价性和氧空穴特征,促进O–O偶联;另一方面稳定Co–O局域结构、抑制过度氧化,同时重构界面水和氢键网络,加快PCET。由此,材料在酸性三电极测试和PEM水电解槽中均表现出较好的活性与耐久性。最终,晶格电子结构、界面质子传递和反应路径三者被同时调控,为解决酸性OER中长期存在的“活性–稳定性”矛盾提供了一个较完整的设计思路。

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