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在水电解制氢中，氧析出反应（OER）是制约效率的关键步骤之一，尤其是在酸性条件下，OER催化剂极易腐蚀，影响催化剂的稳定性和使用寿命。本研究通过在钴氧化物（Co₃O₄）中引入单原子钌，成功设计了局部压缩应变结构，显著提升了钴氧化物在酸性条件下的抗腐蚀性能，为高效且持久的OER催化剂开发提供了新路径。
成果简介
本研究利用单原子钌（Ru）掺杂在钴氧化物中产生局部应变，使Co-O键缩短，从而大幅提升材料的抗腐蚀能力。在30 mA cm⁻²的电流密度下，Ru-Co₃O₄催化剂在酸性环境中运行400小时，表现出优异的稳定性和抗溶解性，展现出在工业应用中的潜力。通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Ru引入带来的结构稳定性提升机制。
研究亮点
创新的局部压缩应变设计：通过Ru单原子的引入，优化了Co₃O₄的局部结构，大幅提升了其在酸性条件下的抗腐蚀能力。
显著的抗溶解性能：Ru-Co₃O₄在酸性OER条件下表现出优异的耐久性，金属离子溶解率显著降低。
实验与理论结合揭示机制：利用原位X射线吸收光谱和DFT计算，验证了局部应变在提升催化剂稳定性中的作用机制。
配图精析
图1：Ru-Co₃O₄纳米结构的表征图，展示了Ru单原子在Co₃O₄中的均匀分布和纳米结构特性，包括TEM和HRTEM图像及元素分布图。
图2：Ru K边X射线吸收精细结构（XAFS）光谱。此图展示了Ru-Co₃O₄、Ru箔和RuO₂的K边傅里叶变换EXAFS谱图。图中显示了Ru在Co₃O₄晶格中占据八面体位点，形成了具有局部应变的结构。O K边XANES光谱也揭示了Ru单原子的引入对Co₃O₄氧化物电子结构的影响。
图3：电化学循环伏安法（CV）测试结果。不同催化剂在酸性条件下的耐久性测试结果表明，Ru-Co₃O₄在高电流密度下表现出优异的抗腐蚀性能。相比于未掺杂的Co₃O₄，Ru-Co₃O₄的循环伏安曲线更加稳定，说明其在酸性氧析出反应（OER）条件下具有显著的抗溶解性。
图4：原位X射线吸收近边结构（XANES）光谱。Co₃O₄和Ru-Co₃O₄在不同电位下的原位XANES谱图揭示了两者在OER条件下的结构变化。结果表明，Ru-Co₃O₄的八面体Co位点在电位增加时保持稳定，而Co₃O₄的结构在高电位下出现显著改变。
图5：原子溶解与OER机理分析。
图6：AIMD模拟结果。自洽模拟进一步确认了局部压缩应变在OER条件下对Ru-Co₃O₄催化剂的抗腐蚀贡献，预测了在长期使用中的结构稳定性。这些结果表明局部压缩应变对OER反应的重要性。
展望
本研究展示了通过局部应变设计提升催化剂在酸性条件下的稳定性，为开发抗腐蚀、高效的OER催化剂提供了新的方向。未来，随着这一策略的优化和扩展，局部应变效应有望广泛应用于其他电催化反应中，助力清洁能源领域的发展。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-53763-8
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53763-8
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