摘要：析氧反应(OER)在水电解产氢、CO2还原生成清洁小分子燃料以及能量转换技术(如金属-空气电池)的利用中发挥着关键作用。OER涉及缓慢的四电子转移过程，需要更多的能量来克服动力学障碍。贵金属Ir基纳米材料目前被认为是酸性OER最有效的催化剂，但其稀缺性和高昂的

析氧反应(OER)在水电解产氢、CO2还原生成清洁小分子燃料以及能量转换技术(如金属-空气电池)的利用中发挥着关键作用。OER涉及缓慢的四电子转移过程，需要更多的能量来克服动力学障碍。贵金属Ir基纳米材料目前被认为是酸性OER最有效的催化剂，但其稀缺性和高昂的成本限制了它们的大规模应用。此外，由于具有高活性和相对低廉的成本(约为Ir价格的六分之一)，Ru基纳米材料在质子交换膜水电解质(PEMWEs)领域具有巨大的应用潜力，但RuO2在酸性环境中的稳定性仍然不理想。为了提高PEMWEs的整体效率，有必要开发高效稳定的Ru基催化剂。

近日，武汉纺织大学姚娜和包海峰等利用简单的一步煅烧合成法将不同p轨道原子(N、P、S、Se)掺杂到RuO2 (R-RuOx)中，以研究Ru基材料的电子结构-机理关系和晶格氧介导机制-氧空位机制(LOM-OVSM)路径的构建原理。

大量的实验和理论研究证实，掺杂Se原子后，电子更有可能从O-p轨道扩散到Ru-eg轨道，加速它们向外部电路的扩散，并导致更快的LOM介导过程。

此外，当LOM过程中形成丰富的氧空位(VO)时，Se掺杂可以诱导Ru-eg能带展宽增加，促进电子回归并稳定VO，导致Ru-t2g轨道能量增加，O-p轨道能量减少，导致电子从Ru-t2g轨道转移到Ru-eg轨道，从而促进OVSM过程。

性能测试结果显示，在酸性条件下，Se-RuOx催化剂在10 mA cm-2电流密度下的过电位为188 mV，Tafel斜率为64.6 mV dec-1，并且在100 mA cm-2下连续电解150小时过程中几乎未发生活性降解。Se-RuOx作为阳极和Pt/C作为阴极的PEMWE在25 ℃下仅需1.84 V的电压就能达到1 A cm-2的电流密度，并且可在1 A cm-2下稳定运行超过1000小时，电压降解速率仅为58 μV h-1。

总的来说，动态调整Ru-eg和O-p轨道之间的带隙对于创造LOM-OVSM途径至关重要，同时这也为高性能金属氧化物催化剂的战略开发提供了一条有效的策略。

Orbital-level band gap engineering of RuO2 for enhanced acidic water oxidation. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-60083-y

姚娜，博士，省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室专任教师，武汉大学硕博连读(2017-2022)和学士(2013-2017)。研究方向为：1.碳纤维材料上电解水催化剂的可控合成及其催化机理研究；2.DFT密度泛函理论计算；3.非晶高分子材料的动力学模拟。近年来，在Angew.、AEM、Chem. Sci.、ACS Catal.、AFM等期刊以第一作者发表SCI一区论文13篇。

包海峰，武汉纺织大学材料科学与工程学院三级教授，硕士生导师，中国空间学会空间材料专业委员会委员。1997年6月获武汉大学理学学士学位，2000年9月至2005年12月在中国科学院长春应用化学所汪尔康院士课题组攻读分析化学博士学位，2006年5月至2008年6月在新加坡南洋理工大学ChangMing Li教授课题组从事博士后研究；2008年7月至2010年6月在澳大利亚蒙纳士大学赵东元院士课题组从事博士后研究。2010年6月就职于杭州师范大学材料与化学化工学院，2013年6月调入武汉纺织大学工作。主要研究方向包括3D打印材料、纳米功能材料合成与应用等。近几年承担国家自科基金2项，企业横向课题5项。至今已在Chem. Mater.、Small、Nano Res.、Acta Biomater.、Langmuir、Nanoscale、J. Phys. Chem. C.、Nanotechnology等杂志上发表学术论文30余篇，被引用次数达1600余次。

来源：朱老师讲VASP