摘要：质子交换膜电解(PEMWE)技术为生产高纯度氢提供了一条有前途的途径。然而，阳极析氧反应(OER)主要依赖于Ir基材料，这对于商业应用来说成本过高。Ru基催化剂被认为是PEMWE最有前途的OER替代品，因为它们比Ir更便宜。

质子交换膜电解(PEMWE)技术为生产高纯度氢提供了一条有前途的途径。然而，阳极析氧反应(OER)主要依赖于Ir基材料，这对于商业应用来说成本过高。Ru基催化剂被认为是PEMWE最有前途的OER替代品，因为它们比Ir更便宜。

虽然Ru基催化剂对OER表现出显著的活性，但它们在酸性条件下的长期稳定性并不理想。这是因为，在酸性和氧化条件下，Ru容易过氧化，形成高价Run+ (n>4)物种(如RuO4或可溶性RuO52-)，导致催化剂失活。

例如，基准RuO2催化剂的OER起始电位与Ru的溶解起始电位一致，后者触发晶格氧参与O2分子的形成，导致结构崩溃；另一个原因是表面Ru的直接溶解，导致催化剂晶体结构的崩解。因此，持久性Ru基催化剂的设计原则应着重于在酸性OER条件下稳定晶格氧和表面Ru物种。

近日，东北师范大学常进法、邢子豪和美国中佛罗里达大学杨阳等开发了一种用于酸性水电解的Ru基催化剂的设计原理，即在尖晶石Co3O4中掺入双阳离子(Ru和Ni) (NiRuCoOx)，以提高催化剂的活性和稳定性。具体而言，对于金属和氧的相互作用，研究人员假设八面体中心可能表现出强的σ-σ相互作用，而四面体中心表现出相对弱的π-π相互作用。

基于这一假设，选择Ru3+占据尖晶石Co3O4的八面体位点来提高酸性OER，选择Ni2+作为尖晶石Co3O4的四面体中心来稳定催化剂中的晶格氧和表面Ru物种。此外，Ni与Co具有相似的尺寸，可以进一步提高氧化物的电子导电性：它可以通过d电子离域诱导部分占据d轨道而被引入晶格中，从而桥接禁带。

性能测试结果显示，在酸性条件下，所制备的NiRuCoOx催化剂达到10和100 mA cm-2电流密度所需的过电位分别为166和356 mV，并且在经过10000次加速稳定性循环测试(AST)后仅发生轻微活性下降。

此外，研究人员组装了一个实用的PEMWE，其配备了NiRuCoOx膜电极组件(MEA)，只需要1.72 V的电池电压就能提供3 A cm-2的电流密度，并且该设备可以稳定运行超过1500小时，性能衰减率降低到0.025 mV h-1。

总的来说，这项工作为提高Ru基催化剂的活性和稳定性提供了一种简便有效的方法，这也为推动PEMWE的发展和应用铺平了到路。

Tailoring octahedron-tetrahedron synergism in spinel catalysts for acidic water electrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.5c00665

常进法，东北师范大学化学学院教授、博士生导师，2022年国家海外优青基金获得者。2018年1月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所；2018-2023年先后在日本产综研(AIST)-京都大学、美国中佛罗里达大学从事博士后研究；2023年3月加入东北师范大学化学学院。研究兴趣集中于电催化氢-电能量转化高效电极材料与器件的研发，先后在Nat. Energy、Nat. Commun.、JACS、Angew.、AM、Energy Environ. Sci.、Joule等国际期刊发表学术论文60余篇，多篇论文为领域高被引/热点论文，被引用3600余次，个人H因子34。曾获吉林省自然科学奖一等奖、SCINEXT青年奖、中国化学会纳米能源研究学术新星金奖、中国化学会普林斯顿&输力强优秀论文奖、美国高校杰出博士后计划奖、Nano Research期刊优秀编委等。

邢子豪，副教授，硕士生导师，第七届吉林省托举人才，吉林省E类人才。2013年毕业于吉林大学化学学院应用化学专业，获工学学士学位。2019年毕业于吉林大学化学学院物理化学专业，获理学博士学位。2019年9月至2022年5月在深圳大学微纳光电子学研究院进行博士后研究，2020年在德国伊尔梅瑙工业大学进行访问研究，主要研究方向为燃料电池低贵/非贵金属电催化剂设计及可控合成研究。主要发表研究论文10余篇，代表性论文在AM、CEJ、Nano Res.、J. Mater. Chem. B和Chem. Commun.上发表。

杨阳，教授，2010年在清华大学获得材料科学与工程博士学位。随后于2010-2012年获得Alexander von Humboldt博士后资助，在德国埃尔兰根-纽伦堡大学与Patrik Schmuki教授合作进行博士后研究。于2012年到2015年，杨教授获得莱斯大学Peter M. & Ruth L. Nicholas博士后奖学金的支持，在Richard E. Smalley 纳米科学研究所与James M. Tour教授一起进行博士后研究。自2015年以来，杨教授受聘为中佛罗里达大学纳米科学技术中心和材料科学与工程系的首席研究员。他目前的研究兴趣包括能源材料的表面和界面工程、清洁能源的产生和存储设备、太阳能收集、智能/柔性电子和可编程纳米制造，其研究兴趣尤其关注先进材料及其电化学应用。近年来，以第一通讯作者身份发表了包括Nat. Energy、Nat. Commun.、Joule和AM等期刊在内的学术论文近20篇。

来源：华算科技