FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，Science在线发表了四川大学康毅进教授和加州理工学院William A. Goddard III课题组的研究论文，题目为「Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis」，论文的第一作者为Jiahao Zhang、Xianbiao Fu和Soonho Kwon。
可再生能源驱动的水电解是绿色制氢的重要途径。然而，析氧反应（OER）动力学缓慢、效率低、能耗过大，使其成为实现高效水电解的瓶颈。质子交换膜水电解（PEM-WE）是所有水电解技术中最具吸引力的，因为它具有高电流密度（因此具有高氢气生产率）、高纯度、高氢气输出压力和快速响应能力，可以与可再生能源快速耦合。然而，OER电催化剂的恶劣工作环境（高酸度和高电势）对PEM-WE的化学稳定性提出了严格的要求。尽管已经发现了许多新的OER电催化剂，但PEM-WE行业仍然主要使用第一代二氧化铱（IrO₂），由于Ir的极度稀缺和高成本，限制了其大规模应用。此外，尽管IrO₂的稳定性满足了目前的工业要求，但IrO₂ OER电催化剂的活性必须得到显著提高，才能实现有竞争力的制氢。
在此研究中，作者探索了具有选定晶体取向RuO₂的明确扩展表面，以研究OER中的结构-性能关联性。研究发现RuO₂的结构依赖腐蚀是低稳定性和低活性的原因。然而，在RuO₂中掺杂Ta既增强了RuO₂对OER的本征活性，又抑制了RuO₂的腐蚀，同时也减轻了Ru在水电解中的溶解，显著提高了电催化剂的稳定性。在工业演示中，Ta-RuO₂电催化剂的稳定性接近IrO₂，在2800小时的测试中，性能衰减率约为14 μV hour⁻¹。在1 A cm⁻²的电流密度下，它的过电势比IrO₂低330 mV。
为了理解Ta如何提高性能和稳定性的原子起源，进行了巨正则量子力学（GCQM）计算，以描述随施加电势的机理和稳定性。基于从这些QM和RuO₂明确扩展表面的实验研究中所学到的知识，合成了纳米颗粒Ta-RuO₂电催化剂，并在工业规模的膜电极组件（MEA）中展示了其性能。此外，一个完整的工业示范展示了太阳能以高达兆瓦的速率生产氢气，为加氢站提供燃料。
图1 | RuO₂明确扩展表面的研究。
图2 | Ta改性RuO₂表面的研究。
图3 | RuO₂和Ta掺杂RuO₂上的OER反应机理。
图4 | 工业测试中的纳米Ta₀.₁Ru₀.₉O₂-x电催化剂。
论文链接：
Zhang, J., Fu, X., Kwon, S. et al. Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis. Science, 2025, 387, 48–55. https://doi.org/10.1126/science.ado9938
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