近日，四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院康毅進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州理工學(xué)院William A. Goddard教授團(tuán)隊(duì)在《Science》發(fā)表了題為“Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalystsfor industrial water electrolysis”的文章。

　　四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院在讀博士生張佳豪、新加坡國(guó)立大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授付先彪和加州理工學(xué)院科學(xué)研究員Soonho Kwon博士為該論文的共同第一作者，通訊作者為四川大學(xué)康毅進(jìn)教授和加州理工學(xué)院William A. Goddard教授。論文第一單位為四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院。

　　氫氣作為重要的化工原料被大量應(yīng)用于合成氨、合成甲醇、石油煉化和煤化工等行業(yè)，服務(wù)于國(guó)計(jì)民生;同時(shí)，因反應(yīng)過(guò)程零碳排放，氫氣被視為重要的零碳燃料，有望成為未來(lái)的能源載體。發(fā)展綠色、高效和可持續(xù)的制氫技術(shù)，是推動(dòng)綠色化工發(fā)展，助力碳達(dá)峰和碳中和的重要途徑。質(zhì)子交換膜電解水(PEM-WE)技術(shù)具有工作電流密度大(產(chǎn)氫速率高)、產(chǎn)氫純度高(>99.99%)、高氫氣輸出壓力和快速響應(yīng)能力等特性，表現(xiàn)出對(duì)波動(dòng)性可再生能源系統(tǒng)強(qiáng)大的適配性，是一種極具前景的可持續(xù)綠氫制備技術(shù)。但PEM-WE的陽(yáng)極析氧反應(yīng) (OER) 較高的反應(yīng)勢(shì)壘和遲滯的動(dòng)力學(xué)制約著整體電解水制氫效率。此外，電解過(guò)程中產(chǎn)生的大量H+在質(zhì)子交換膜上形成局部酸性環(huán)境以及陽(yáng)極的高氧化電位，嚴(yán)重影響陽(yáng)極OER催化劑的穩(wěn)定性。Ir基氧化物是當(dāng)前最穩(wěn)定的酸性O(shè)ER催化劑，然而Ir資源的極度稀缺性和高昂的價(jià)格極大制約了此類催化劑的大規(guī)模應(yīng)用。鑒于此，開發(fā)兼具高活性與穩(wěn)定性的非Ir陽(yáng)極催化劑有助于推動(dòng)PEM電解制氫技術(shù)更廣闊的商業(yè)化應(yīng)用。

　　Ru基氧化物因優(yōu)異的析氧活性被視為另一類潛在的PEM電解水陽(yáng)極催化劑，然而其穩(wěn)定性相較于Ir基催化劑表現(xiàn)出明顯劣勢(shì)。理解RuO2結(jié)構(gòu)失效機(jī)制為指導(dǎo)設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性RuO2催化劑提供了底層邏輯。當(dāng)前針對(duì)Ru基氧化物的穩(wěn)定性優(yōu)化策略已被廣泛報(bào)導(dǎo)，但圍繞RuO2的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制仍未明晰，且常用的納米顆粒催化體系中復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)和晶面組成給原子層面研究催化劑失效機(jī)制帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

　　康毅進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)基于不同晶面取向的RuO2單晶薄膜模型催化劑，從原子尺度解析了RuO2催化劑表面溶出/重構(gòu)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在OER條件下RuO2催化劑經(jīng)高價(jià)Ru物種溶出同時(shí)伴隨著亞納米尺度RuO2團(tuán)簇的表面剝離，進(jìn)而引發(fā)RuO2催化劑表面重構(gòu)，導(dǎo)致RuO2催化劑結(jié)構(gòu)快速失效。模型實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，引入Ta可有效抑制該失效過(guò)程。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了Ta0.1Ru0.9O2陽(yáng)極催化劑，在工業(yè)電流密度1 A cm-2下，實(shí)現(xiàn)了2800小時(shí)穩(wěn)定性。

　　單晶模型催化實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)穩(wěn)定Ru基OER催化劑提供了新的見解和指導(dǎo)，模型催化結(jié)合理論計(jì)算為穩(wěn)定非Ir陽(yáng)極催化劑尤其是Ru基催化劑的設(shè)計(jì)提供了方法論的參考，同時(shí)該研究成果極大拓展了Ru基PEM-WE制氫膜電極的應(yīng)用前景。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938