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质子交换膜电解器（PEMWE）是高效制氢的关键技术之一，但其阳极氧析出反应（OER）在酸性条件下的低反应活性和催化剂稳定性仍然是亟待解决的问题。本研究通过在质子化氧化铱中引入单原子分散的钌（Ru）原子，显著提升了OER的催化活性和稳定性，为未来酸性电解水催化剂的设计提供了新的解决思路。
成果简介
本研究展示了Ru单原子调控的质子化氧化铱（H₃.₈Ir₁₋ₓRuxO₄）在酸性水氧化中的卓越表现。通过调控Ru原子的引入，局部氧空位的形成增强了中间体的吸附，从而显著降低了OER的能垒。此外，Ru的优先氧化和氧空位的电负性进一步稳定了Ir氧活性位点，使得催化剂在超过1100小时的操作中保持稳定。
研究亮点
单原子Ru的引入: Ru单原子诱导局部氧空位的生成，增强了OER中间体的吸附，提升了OER反应活性。
优异的稳定性: H₃.₈Ir₁₋ₓRuxO₄催化剂在超过1100小时的酸性电解操作中保持稳定性，与传统H₃.₈IrO₄相比稳定性提高了一个数量级。
实用性: 将该催化剂应用于质子交换膜电解器阳极，表现出出色的性能，在高电流密度下（2 A cm⁻²）稳定运行超过1280小时。
配图精析
图1 展示了Ru掺杂的质子化氧化铱的晶体结构和微观形貌。X射线衍射图谱（XRD）表明，Ru原子成功掺入Ir氧格子中，同时通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和能谱分析（EDS），确认了Ru在Ir基体中的均匀分布。
图2 展示了H₃.₈Ir₁₋ₓRuxO₄和对照样品在酸性OER中的电化学性能比较。通过线性扫描伏安法（LSV）和计时电位法测试表明，H₃.₈Ir₁₋ₓRuxO₄表现出较低的过电位和更好的长期稳定性。
图3 展示了Ru掺杂对Ir电子结构的影响。通过X射线吸收精细结构（EXAFS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究，揭示了Ru通过电子捐赠调控Ir位点的氧空位，增强了OER中间体的吸附能力。
图4 展示了基于密度泛函理论（DFT）的计算结果，表明Ru原子的引入显著降低了OER过程中*OOH中间体形成的能垒，从而加速了OER反应速率。
图5 展示了质子交换膜电解器的实际应用测试结果。H₃.₈Ir₁₋ₓRuxO₄作为阳极催化剂的电解器在高电流密度下显示出优异的长期稳定性，运行超过1280小时且电压仅增加50 mV。
展望
本研究通过引入单原子Ru调控质子化氧化Ir，显著提升了酸性条件下的水氧化反应活性和稳定性。这一策略为设计更高效、稳定的OER催化剂提供了新的思路，未来有望推动质子交换膜电解器的广泛应用。
文献信息
标题: Ruthenium Single‐Atom Modulated Protonated Iridium Oxide for Acidic Water Oxidation in Proton Exchange Membrane Electrolysers
期刊: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202407394
原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202407394
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