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1研究背景
在全球能源结构转型和碳中和目标的推动下，氢能作为一种清洁、高效的能源载体，其开发和利用受到了广泛关注。质子交换膜水电解器（PEMWE）因其高纯度氢气生产、低欧姆电阻和大电流密度等优点，成为氢能生产的重要技术之一。然而，PEMWE技术大规模应用的主要瓶颈在于缺乏高效且低成本的酸性氧进化反应（OER）催化剂。目前，铱（Ir）基材料因其卓越的稳定性和活性被视为最佳的酸性OER催化剂，但由于其高昂的成本和稀缺性，限制了其在商业PEMWE中的大规模应用。因此，开发具有高稳定性和活性的非铱基催化剂对于PEMWE的实际应用至关重要。
2成果简介
在这项研究中，研究人员报道了一种新型的Pb-RuO2催化剂，该催化剂通过引入大尺寸且耐酸的晶格铅（Pb）来诱导钉扎效应，有效缩小氧原子的移动通道，从而降低Ru氧化物中晶格氧的反应活性。这种设计概念不仅提高了催化剂的稳定性，还显著提升了其在酸性介质中的长期运行性能。Pb-RuO2催化剂在10 mA cm−2的电流密度下表现出低过电位（188 ± 2 mV），并能在酸性介质中稳定运行超过1100小时，退化率仅为19 μV h−1。特别地，基于Pb-RuO2的PEMWE能在500 mA cm−2的电流密度下稳定运行超过250小时，退化率仅为17 μV h−1。这一成果为PEMWE中非铱基催化剂的开发提供了新的思路。3图文导读
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图1 晶格铅的钉扎效应增强了RuO2稳定性的示意图。展示了通过使用大尺寸的铅来缩小晶格氧原子的移动通道，降低晶格氧的反应活性的设计概念。![]()
图2 Pb-RuO2催化剂的原子和精细结构表征。包括Pb-RuO2的HAADF-STEM图像、FFT图案、原子分辨率HAADF-STEM图像、结构模型以及Pb、Ru和O的元素映射。![]()
图3 Pb-RuO2和参考催化剂在室温下0.5 M H2SO4中的电催化OER性能。展示了iR校正极化曲线、Tafel斜率以及不同催化剂的过电位和Tafel斜率比较。![]()
图4 Pb-RuO2的OER机制。包括Pb-RuO2和RuO2在含和不含1 M甲醇的0.5 M H2SO4溶液中的iR校正极化曲线、原位拉曼光谱以及不同催化剂在H2^18O水溶液H2SO4电解质中循环三次期间的气体产物的DEMS信号。![]()
图5 电子结构的DFT计算。包括Pb-RuO2和RuO2 (110)表面的原子结构、Pb-RuO2的反应路径、Ru (d)、O (p) 和 Pb (s) 的投影DOS图以及Pb-RuO2和RuO2的Ru电荷变化对ICOHP的影响。![]()
图6 基于Pb-RuO2催化剂的PEMWE性能。展示了使用Pb-RuO2、Hm-RuO2和Com-RuO2作为阳极催化剂的PEMWE的极化曲线、不同电流密度下的电池电压比较以及Pb-RuO2和Hm-RuO2基PEMWE的计时电位曲线。
4小结
这项研究通过引入晶格铅（Pb）到RuO2中，成功开发了一种新型的Pb-RuO2催化剂，该催化剂在酸性介质中展现出卓越的稳定性和活性。研究人员通过实验和理论计算结果揭示了Pb-RuO2中Ru-O共价性的降低，这是由于Pb的6s-2p-4d轨道杂化导致的，这种降低的共价性增加了晶格氧的损失能量，抑制了Ru的过度氧化，从而提高了催化剂在PEMWE中的长期稳定性。Pb-RuO2催化剂的制备方法简单，性能优异，为非铱基催化剂在PEMWE中的应用提供了新的可能性，对于推动氢能技术的发展具有重要意义。文献：
Zhou, C., Li, L., Dong, Z. et al. Pinning effect of lattice Pb suppressing lattice oxygen reactivity of Pb-RuO2 enables stable industrial-level electrolysis. Nat Commun 15, 9774 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53905-y
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