来源：氢能科研助手

质子交换膜水电解（PEMWE）是可再生能源制氢的核心技术，但其阳极析氧反应（OER）催化剂长期依赖昂贵且稀缺的铱基材料（IrO₂）。钌基催化剂（RuO₂）虽具备高活性与成本优势，在强酸性环境中易发生钌溶解和晶格氧流失，导致快速失效。

焦丽芳团队提出关键问题：能否同时提升RuO₂的催化活性与结构稳定性？传统应变工程往往顾此失彼——拉伸应变可稳定结构但降低活性，压缩应变提升活性却加速衰变。

研究要点

研究团队创新性地引入单原子铂（Pt）掺杂，在RuO₂晶体中构建了独特的“应变异质性”结构：

1. 整体拉伸应变：Pt原子半径大于Ru，使RuO₂晶格膨胀，强化晶格氧键能，抑制结构坍塌（稳定性↑）

2. 局部压缩应变：Pt原子挤压周围Ru原子，导致局域压缩，削弱氧中间体吸附能，加速反应动力学（活性↑）

双效应协同机制：

• 压缩应变区：d带中心下移，优化*OOH吸附

• Pt配体效应：抑制晶格氧参与反应路径（LOM路径减少50%）

  
  

图文解析

研究结论

1.实验室测试

• 活性：酸性环境中过电位仅215 mV@10 mA/cm²（比纯RuO₂低35 mV）

• 稳定性：10 mA/cm²下稳定运行1500小时，衰减速率仅为27 µV/h（纯RuO₂的1/28）

2.PEM电解槽实测（80°C）

• 达到3 A/cm²电流密度仅需1.791 V电压，超越美国能源部2025年目标（1.9 V@3 A/cm²）

• 500 mA/cm²下稳定运行超过500小时，电压无显著上升

3.机制验证与普适性

原位光谱追踪：

同位素示踪（DEMS）：证实Pt-RuO₂中晶格氧参与路径（LOM）减少50%

红外光谱：检测到关键*OOH中间体，确认吸附演化机制（AEM）主导

理论计算：

DFT模拟：压缩应变区反应能垒降低0.08 eV

电子结构：Ru的d带中心下移0.072 eV，优化中间体吸附

策略普适性：

成功拓展至铼（Re）、铜（Cu）掺杂体系，均实现性能提升

为设计“无铱”催化剂提供新范式

该研究通过单原子掺杂诱导应变异质性，首次在RuO₂中实现活性与稳定性的协同提升，解决了酸性OER催化剂的瓶颈问题。实际PEM电解槽性能达到产业化指标，为降低绿氢成本奠定基础。

未来方向：

• 探索更多大原子半径掺杂元素（如金、银）

• 优化应变分布调控策略，进一步提升催化剂寿命

• 推动无铱催化剂在兆瓦级电解槽的应用验证

此项研究不仅为PEM电解水制氢提供了高性能催化剂解决方案，其“应变异质性”设计理念更可推广至其他能源转化催化体系。