点击文末阅读原文可直达文献
酸性环境中的氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）是质子交换膜水电解的核心，但催化剂的活性和稳定性受到严苛操作条件的限制。RuO₂因其高催化活性和相对适中的成本，被认为是酸性OER的优选催化剂。然而，传统RuO₂存在较高的过电位和稳定性不足的问题。缺陷工程是一种有效提升催化剂性能的策略，但阳离子和氧空位对催化性能的独特贡献尚未明确。
成果简介
该研究通过设计富含阳离子和氧空位的RuO₂催化剂（分别为Ru₁₋ₓO₂和RuO₂₋ₓ），系统探讨了不同缺陷类型对催化剂活性和稳定性的影响。实验结果表明，Ru₁₋ₓO₂由于阳离子空位的存在可调控d带中心，优化OER中间体的吸附能，从而提升催化活性；而RuO₂₋ₓ中的氧空位削弱了Ru-O键，抑制晶格氧参与氧化机制和Ru的溶解，从而显著提高稳定性。
研究亮点
活性提升：Ru₁₋ₓO₂在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位仅为212 mV，显著优于商业RuO₂的328 mV。
稳定性增强：RuO₂₋ₓ在10 mA cm⁻²下可持续工作400小时，无明显性能衰减。
机制解析：结合实验和理论计算发现，缺陷通过调控Ru-O键强度和电子结构，促进AEM机制，同时抑制LOM路径，从而实现高效稳定的OER。
多尺度验证：通过XPS、XANES、EXAFS和DFT等手段确认了缺陷的引入及其对催化性能的调控作用。
配图精析
图1：Ru₁₋ₓO₂与RuO₂₋ₓ的结构表征
通过XRD、Raman和HR-STEM表征证实了阳离子与氧空位的成功引入，HAADF-STEM直接观察到Ru空位的存在。
图2：电子结构调控与键合强度
XPS与XANES表明Ru₁₋ₓO₂的Ru原子处于较高的氧化态，EXAFS揭示氧空位降低了Ru-O键的配位数及强度，有助于优化催化剂表面电子结构。
图3：电催化性能测试
LSV曲线显示Ru₁₋ₓO₂和RuO₂₋ₓ的活性优于传统RuO₂。EIS和Cdl测试进一步验证了缺陷对电荷转移和活性面积的促进作用。
图4：OER反应路径研究
通过18O标记和DEMS检测发现，RuO₂₋ₓ显著抑制了晶格氧参与氧化机制（LOM），优先通过吸附路径（AEM）实现氧气生成。
图5：理论计算揭示缺陷作用机制
DFT计算显示，缺陷调控优化了关键中间体的吸附能，降低反应能垒，并有效抑制了晶格氧参与的失活过程。
展望
本研究通过阳离子和氧空位的协同调控，实现了RuO₂催化剂在酸性OER中的高活性与长稳定性，揭示了缺陷工程在优化电子结构和反应路径中的关键作用。该策略为设计高效、稳定的酸性OER催化剂提供了新思路，并有望在PEM电解槽中实现规模化应用。
文献信息
标题：Effect of Cation and Anion Vacancies in Ruthenium Oxide on the Activity and Stability of Acidic Oxygen Evolution
期刊：ACS Catalysis
DOI：10.1021/acscatal.4c02779
原文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c02779
点击阅读原文直达文献~
声明：更多内容请参考原文，如有侵权，后台联系编辑删除。
