可再生能源驱动的水电解是绿色制氢的一条重要途径。然而，析氧反应（OER）动力学缓慢、效率低、能耗大，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技术，其具有高电流密度（高产氢率）、高纯度、高氢气输出压力和快速响应能力，可与可再生能源随时耦合。
（1）OER电催化剂的恶劣工作环境（高酸度和高电位）对PEM-WE的化学稳定性的要求十分高。目前，PEM-WE行业主要使用第一代氧化铱（IrO2）催化剂，因Ir的极度稀缺和高成本，限制了其大规模得应用。同时，必须显著提高IrO2 OER电催化剂的活性，才能实现有竞争力的制氢。
（2）二氧化钌（RuO2）是OER催化剂的有吸引力的选择，与Ir相比，它具有相对较高的储量和活性、较低的成本。然而，RuO2的稳定性差阻碍了其实际应用。为提高RuO2的性能，需要新的改性材料，扩展活性和稳定性的结构-性能相关性，并建立反应机理。将五氧化二钽（Ta2O5）和RuO2（或IrO2）混合可略微提高稳定性，但这种方法尚未进一步探索。
基于此，四川大学康毅进教授和加州理工学院William A. Goddard III院士（共同通讯作者）等人研究了具有选定晶体取向的明确定义的RuO2扩展表面，以研究OER中的结构-性能相关性。
（1）作者发现RuO2的结构依赖性腐蚀是低稳定性和低活性的原因，在RuO2中掺入Ta既增强了RuO2对OER的固有活性，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。
（2）为理解Ta如何提高性能和稳定性的原子起源，作者进行了巨正则量子力学（GCQM）计算，将机制和稳定性描述为应用势的函数。基于QM和RuO2扩展表面的实验研究结果，作者合成了纳米颗粒Ta-RuO2电催化剂，并在工业规模的膜电极组件（MEA）中展示了性能。
（3）在工业演示中，Ta-RuO2电催化剂表现出接近IrO2的稳定性，在2800小时的测试中，性能衰减率为~14 μV/h。在电流密度为1 A cm-2时，它的过电位比IrO2小330 mV。
本文的共同第一作者分别是四川大学/电子科技大学Jiahao Zhang、电子科技大学Xianbiao Fu和加州理工学院Soonho Kwon。
作者采用脉冲激光沉积法制备了RuO2薄膜。由于不同取向的RuO2延伸表面具有不同的表面原子排列，预计各种表面上Ru的配位不饱和位点（CUS）的数量是不同的。循环伏安法（CV）显示，原始RuO2表面的OER电流密度与电荷密度q*阴极密切相关，表明Ru位点的居群是RuO2薄膜整体OER活性的主要因素。
图1.定义明确RuO2的扩展表面研究
作者通过磁控溅射方法，将Ta添加到RuO2薄膜上。Ta-RuO2（110）薄膜的HAADF-STEM横截面图像显示，薄膜与MgO（001）衬底之间清晰的界面，及Ta溅射后保存完好且有序的（110）平面，证实Ta溅射没有破坏薄膜的取向。HAADF-STEM图像显示，Ta溅射后TaRuO2（110）薄膜的有序且接近原子平面的表面晶格。因此，溅射后，Ta原子成功地掺杂到表面的RuO2晶格中，而表面的取向和平整度几乎没有变化。
图2. Ta改性RuO2表面的研究
图3. RuO2和Ta-RuO2上的OER反应机理
根据0.5 M H2SO4电解液得到的OER极化曲线，Ta0.1Ru0.9O2-x在电流密度为10 mA cm-2下的过电位为226 mV，比Ta0.2Ru0.8O2-x、合成的RuO2-x和市售RuO2粉末具有更好的OER活性。Ta0.1Ru0.9O2-x的Tafel斜率为47.1 mV dec-1，远小于商用RuO2。同时，Ta0.1Ru0.9O2-x在过电位为280 mV时的TOF达到0.086 s-1，是基准样品中最高的，是商用RuO2（0.004 s-1）的20倍。
电流-电压关系（I-V）曲线表明，使用Ta0.1Ru0.9O2-x阳极催化剂的MEA达到1 A cm-2所需的电压分别减少109和330 mV，表明使用Ta0.1Ru0.9O2-x阳极催化剂的MEA具有更高的电解效率。以Ta0.1Ru0.9O2-x为阳极催化剂，作者制备了尺寸为25 cm×25 cm（即625 cm2）的工业MEA。单槽水电解槽在低至1.704 V的电压下，电解电流可达625 A，额定功率为1 kW，产氢率为0.523 Nm3 h-1（即145 ml s-1或23.35 mol h-1）。在电流密度为1 A cm-2下，Ta0.1Ru0.9O2-x在衰减率<~14 μV h-1的情况下保持了至少2800 h的恒定工作电压，而RuO2在达到2 V截止电压前持续不到50 h。
图4.工业测试中的纳米Ta0.1Ru0.9O2-x电催化剂
Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis. 2025, Science, DOI: 10.1126/science.ado9938.
康毅进，电子科技大学教授/博导，现加入四川大学化学工程学院教授/博导，美国宾夕法尼亚大学博士，美国Argonne国家实验室完成博士后研究。研究工作主要着重于化学、纳米科学、材料科学在生物医药以及催化和能源领域的应用。
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