近日，我校环境与化学工程学院闵宇霖教授、朱晟副教授联合中国科学技术大学俞书宏院士、高敏锐教授，设计开发了一种兼具高活性、高稳定性的质子交换膜（PEM）电解水非铱基阳极催化剂，首次提出了掺杂位点介导羟基溢流反应机制。相关成果以“Cr dopant mediates hydroxyl spillover on RuO2 for high-efficiency proton exchange membrane electrolysis”为题发表在Nature子刊《自然·通讯》（Nature Communications 2024, 15, 7861）上。论文第一作者为我校环境与化学工程学院2024届硕士研究生沈煜，江南体育江南体育大学为论文第一单位和通讯单位。
由可再生能源驱动电解水制绿氢是实现“双碳”目标的有效途径。PEM电解水制氢因其产氢纯度高、电流密度大、动态响应快、与可再生能源适配性好等特点，被认为是最具潜力的制氢技术。然而，阳极析氧反应（OER）的缓慢动力学和强酸性工作环境使其严重依赖极端稀缺的贵金属铱（Ir）及其氧化物作为电催化剂，开发兼具高活性与高稳定性的非铱基阳极催化剂对提升PEM电解水产氢效率至关重要。
鉴于此，研究人员报道了一种含氧空位的铬掺杂二氧化钌催化剂（Cr0.2Ru0.8O2-x），其在酸性介质中表现出优异的OER性能：达到10 mA cm-2的电流密度仅需170 mV过电位，并稳定运行2485小时以上。进一步将其装配至实际PEM电解池的阳极，达到1 A cm-2的电流密度仅需1.77 V槽压，并稳定运行200小时以上。
一系列原位测试和DFT理论计算表明，铬掺杂和氧空位共同诱导产生了一种非常规的OER机制——掺杂位点介导羟基溢流反应机制（Dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism）。在反应过程中，Cr作为Lewis酸性位点可以从水中连续捕获羟基物种并溢流至Ru活性位点，将反应的决速步骤由常规吸附质演化机制（AEM）的OOH*生成转变为O2生成，大幅降低了反应能垒，在不牺牲稳定性的条件下显著提高了催化活性。同时，Cr作为可变价态元素，可以在反应中向Ru动态提供电子，抑制了活性位点的过度氧化溶出，进一步提高了催化稳定性。
论文在第一轮审稿中即受到三位独立审稿人的一致好评：“the authors propose a novel dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism…the research is interesting and informative”、“The characterization of catalyst structure is comprehensive, and the manuscript is well-written”、“The results are interesting and catalyst structures, reaction mechanism are well studied”，表明我校在电解水制氢领域的研究获得国际同行的认可。
该工作得到国家自然科学基金、江南体育市江南体育材料防护与新材料重点实验室、江南体育市储能电池测控技术服务平台的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51871-z
环化学院 供稿