摘要：利用质子交换膜水电解(PEMWE)产氢引起了人们的广泛关注，这是因为其能够在工业相关电流密度下运行，同时可以与间歇性可再生能源相结合。Ru基化合物(RuO2)被认为是Ir基材料的理想替代品。

利用质子交换膜水电解(PEMWE)产氢引起了人们的广泛关注，这是因为其能够在工业相关电流密度下运行，同时可以与间歇性可再生能源相结合。Ru基化合物(RuO2)被认为是Ir基材料的理想替代品。

然而，在酸或PEM电解池中，Ru基催化剂的OER稳定性仍然是一个主要挑战。Ru基催化剂的稳定性受到两个因素的阻碍：首先，当施加高于1.39 V的电位时，晶格氧的氧化释放可能导致Ru位点过氧化成可溶性RuO4；其次，表面Ru位点的直接去金属化触发晶体结构的崩塌。因此，有效设计RuO2基催化剂至关重要，以使得催化剂能够在酸性介质和高电位下抵抗或缓解Ru位点的去金属化和晶格氧的参与。

近日，北京化工大学孙晓明和王枫梅等制备了一种原子比(20%)较高的多金属掺杂RuO2催化剂用于酸性OER。具体而言，在RuO2中引入了两种常见的过渡金属Nb和Mn (即NbxMn0.2-xRu0.8O2，0

在电流密度为10 mA cm-2时，Nb0.1Mn0.1Ru0.8O2电催化剂表现出较低的过电位(209 mV)，同时在0.5 M H2SO4和0.2 A cm-2条件下连续运行超过400小时，表现出良好的耐久性。

密度泛函理论(DFT)计算和原位拉曼分析表明，OER反应主要遵循吸附质演化机制，能量势垒显著降低，伴随着局部钝化的晶格氧机制(AEM-LPLOOM)；并且，在RuO2中同时引入Nb和Mn可以有效提高Ru位点和晶格氧的形成能。

原位XAS分析表明，Mn/Nb与Ru之间的有利相容性可以调节电子转移，以稳定OER过程中的晶格氧，可以有效缓解Nb0.1Mn0.1Ru0.8O2中Ru位点的价振荡。

此外，用Nb0.1Mn0.1Ru0.8O2作为阳极和Pt/C作为阴极制备的PEMWE器件可以在0.5 A cm-2下运行1000小时，性能衰变速率仅为59 μV h-1，展示了巨大的实际应用潜力。PEMWE中1 kg H2生成的成本估计约为0.99美元，远低于DOE目标；同时，PEM电解槽的能耗也低至43.69 kW h kgH2-1。

总的来说，这项工作不仅为设计稳定的酸性OER RuO2催化剂提供了一种可行的方法，而且通过引入过渡金属替代Ru有效降低了成本。

Synergistic niobium and manganese co-doping into RuO2 nanocrystal enables PEM water splitting under high current. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-59710-5

孙晓明，北京化工大学，教授，博导。以新能源材料与器件设计为研究方向，以多维度材料为研究对象，针对国家重大需求实现了能源储存与转化领域的进一步创新。先后开展了包括：可控合成、纳米分离、纳米电极制备和超浸润表面设计等研究，并取得了一系列研究成果和荣誉称号。以第一作者及通讯联系人身份在Nat. Commun.、PNAS、JACS、Angew.、AM等国际材料与化学类主流刊物发表学术论文125篇，总引用10900余次，他引>9000次。

王枫梅，见习教授，硕士生导师。主要从事电催化剂设计及其光/电催化合成方面的研究工作，以第一/通讯作者发表高水平SCI论文30篇，其中在影响因子>10的期刊上发表17篇，包括Science、Sci. Adv.、Joule、Angew.、AM、AEM、ACS Catal.、ACS Nano、AFM、Nano Energy等，论文引用次数超过5000次，H指数为40，ESI高被引论文6篇，连续入选2021、2022年度斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单；参与撰写英文专著一章。研究成果被国内外知名专家大幅引用与评价，并被Phys. Org等学术网站报道。

来源：MS杨站长