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研究表明，工业上（质子交换膜电解水）用于析氧反应的氧化铱（IrO2）催化剂稀缺且昂贵。虽然氧化钌（RuO2）是一个有希望的替代催化剂，但其稳定性差阻碍了实际应用。
在此，四川大学化学工程学院康毅进教授团队联合加州理工学院William A. Goddard教授团队等人基于定义明确的扩展表面模型来识别RuO2催化剂表面经历的溶出/重构过程。研究显示，钽（Ta）掺杂有效地稳定了RuO2以抵抗这种腐蚀，并增强了RuO2的固有活性。在工业化示范中，Ta-RuO2电催化剂显示出接近IrO2的稳定性，并在2800小时测试中性能衰减率为每小时约14μV。在工业电流密度1 A cm-2，其过电位比IrO2少了330mV。
相关文章以“Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis”为题发表在Science上。论文第一作者：张佳豪，付先彪博士和Soonho Kwon博士。本工作由康毅进个人资金支持，无国家经费。
由可再生能源驱动的电解水是制备绿色氢的重要途径。不幸的是，质子交换膜电解水（PEM-WE）的阳极析氧反应（OER）较高的反应势垒和迟滞的动力学制约着整体电解水制氢效率。同时，OER电催化剂的恶劣工作环境（高酸性和高电位）对PEM-WE的化学稳定性提出了严格要求。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铱氧化物（IrO2），其极度稀缺和高成本限制了其在大规模应用中的使用。此外，尽管IrO2的稳定性满足了当前的工业要求，但必须显著提高IrO2 OER电催化剂的活性，以实现有竞争力的产氢。氧化钌（RuO2）作为OER催化剂的第二大有吸引力的选择，提供了包括与铱相比钌的相对高储量和低成本，以及高活性等优势。然而，RuO2的稳定性差阻碍了实际应用。在水电解的正常运行中，RuO2电催化剂的法拉第效率约为0.1%，这至少比IrO2催化剂中的铱溶解度高两个数量级。为了提高RuO2的性能，关键是识别新的改性材料，扩展活性和稳定性的结构-性能相关性，并建立反应机制。例如，许多研究表明，晶格氧交换参与了OER过程，并负责RuO2催化剂的溶解，而其他报道则声称没有观察到晶格氧交换。此外，混合五氧化二钽（Ta2O5）和RuO2（或IrO2）已经导致了略有改善的稳定性，但这种方法尚未进一步探索。在此，作者选择了具有选定晶体取向的RuO2的明确扩展表面，以研究OER中的结构-性能相关性。同时，确定了RuO2的结构腐蚀是导致低稳定性和低活性的原因。在此基础上，作者发现将钽（Ta）掺杂到RuO2中既增强了RuO2对OER的固有活性，又抑制了RuO2的腐蚀，同时也减轻了电解水中Ru的溶解，显著提高了电催化剂的稳定性。为了理解钽如何改善性能和稳定性的原子起源，作者进行了巨正则势量子力学（GCQM）计算，以描述作为其机制和稳定性。基于从这些量子力学和实验研究中对RuO2的明确扩展表面的理解，作者合成了纳米颗粒状的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。设计制备的Ta0.1Ru0.9O2阳极催化剂在工业电流密度1 A cm-2下，实现了2800小时的稳定性。图3：在RuO2和Ta掺杂RuO2上的OER反应机理研究。图4：工业级纳米Ta0.1Ru0.9O2-x电催化剂。总的来说，作者在OER过程中观察到RuO2电催化剂的结构依赖性腐蚀，这种腐蚀直接导致了RuO2电催化剂的稳定性差（即Ru的溶解）。进一步表明，钽掺杂抑制了Ru的溶解，同时提高了RuO2电催化剂对OER的固有活性。工业演示清楚表明，RuO2电催化剂的稳定性问题已成功解决，且基于Ru的催化剂比基于Ir的催化剂具有更理想的OER活性，因此为PEM-WE中的电催化剂提供了一个极具吸引力的选择。张佳豪，四川大学化学工程学院在读博士研究生（导师：康毅进教授），硕士期间开始围绕PEM电解水制氢开展研究，主要研究课题为高稳定性阳极析氧催化剂设计及PEM膜电极制备。目前在国际期刊发表学术论文10篇，其中以第一作者 (含共一) 身份在Science和ACS Catalysis等期刊发表论文3篇。申请国家发明专利4项 (已获授权1项)。![]()
付先彪，新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授（课题组网站：https://www.xianbiaofugroup.com/），独立PI，博士生导师。2021年在电子科技大学获得博士学位（导师：康毅进教授），2017-2020年于美国西北大学和约翰斯·霍普金斯大学进行博士联合培养，2021-2024年在丹麦科技大学物理系开展博士后研究（合作导师：Ib Chorkendorff院士和Jens K. Nørskov院士），期间获得欧盟玛丽·居里学者项目资助。长期从事催化、电合成、能源化工和能源储存与转化研究，主要集中在电化学合成氨、氮气活化、氨能利用、电合成燃料、有机电化学合成和有机体系电催化。在国际期刊发表论文30余篇，其中以第一作者（含共一）在Science (2)、Nature Materials、Nature Energy、Nature Catalysis和Nature Communications等国际期刊发表学术论文18篇。引用次数超2800，H指数影响因子为21。入选2023年度《麻省理工科技评论》中国35岁以下科技创新35人（MIT TR35），曾获2024年Materials Today Catalysis期刊第一届新星奖、Carbon Future期刊青年研究者奖和2023年Nano Research期刊优秀编委奖。研究成果被麻省理工科技评论、美国科学促进会EurekAlert！和Phys.org等知名科技媒体报道。受邀在国际/国内知名学术会议作邀请报告10余次。曾主持欧盟玛丽·居里学者项目1项，申请国家发明专利4项(授权3项)、国际专利2项（授权1项）；担任Journal of Energy Chemistry和Nano Research等期刊青年编委，担任Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.和Energy Environ. Sci.等多个期刊审稿人。2016年创建“催化开天地”公众号并担任主编（每日阅读量超1万次）。Soonho Kwon，加州理工学院科学研究员（Scientific Researcher）。康毅进，四川大学化学工程学院研究员（教授）、国家级青年人才、四川省高层次人才、四川省产业教授。宾夕法尼亚大学博士（导师Christopher Murray），阿贡国家实验室博士后（合作导师：Vojislav Stamenkovic、Nenad Markovi）。曾任美国西北大学访问教授、美国伊利诺伊大学芝加哥分校客座教授（PI），东方电气集团电解水制氢首席顾问科学家，科技部氢能评审专家。研究工作主要着重于能源转化与存储应用中的化学和材料科学，特别注重氢能体系下的化工过程。康毅进教授目前已在Science、Nature Catalysis、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等顶级期刊发表发表论文70 余篇, 论文总引用次数超14000 次，h-index 46，拥有多项中国专利和美国专利，参与编写了《应用电化学百科全书》（Springer 出版）和《英国皇家化学会催化系列丛书》。康毅进教授目前已获多项催化剂发明专利授权，并成立了相关科技公司，专注于制氢技术的产业转化。William A. Goddard III，加州理工学院化学与化工系、应用物理系、材料科学系Charles & Mary Ferkel教授，材料与过程模拟中心（MSC）主任，美国科学院院士、美国艺术与科学院院士、美国物理学会会士、美国科学促进会会士、英国皇家化学学会会士。在理论化学和多尺度模拟方面的研究工作获得了国际广泛认可，荣获了包括费曼纳米技术理论奖、美国化学会理论化学奖和国际催化协会杰出科学贡献奖等。 Goddard教授已在Science、Nature、Nature Catalysis、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表论文多篇，总引用近20万次，H因子196，多次入选全球高被引科学家。Jiahao Zhang†, Xianbiao Fu†, Soonho Kwon†, Kaifeng Chen, Xiaozhi Liu, Jin Yang, Haoran Sun, Yanchang Wang, Tomoki Uchiyama, Yoshiharu Uchimoto, Shaofeng Li, Yan Li, Xiaolong Fan, Gong Chen, Fanjie Xia, Jinsong Wu, Yanbo Li, Qin Yue, Liang Qiao, Dong Su, Hua Zhou, William A. Goddard III*, Yijin Kang*, Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq7096🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
