彭生杰课题组JACS：金属缺陷调制Ru单原子的析氧机制，强化酸性OER动力学

长期以来，酸性析氧反应(OER)一直依赖于Ir/Ru氧化物催化剂，这种催化剂的稀缺性和昂贵的价格限制了质子交换膜水电解(PEMWE)技术的商业化。为克服这一难题，人们做出许多努力来对单原子电催化剂进行设计以期望最大限度地提高原子利用率和优化活性中心。

在大多数情况下，单原子催化剂的催化性能取决于载体材料的性质，因为其电子态可以通过锚定的局部配位环境来调节。同时，在SACs的合成过程中，由于原子相容性，贵金属单原子往往在表面氧缺陷处遭受表面溢出或吸附，导致电子结构与理论活性之间的不匹配，这增加了SACs的设计难度。

此外，传统的Eley-rideal型吸附质演化机理和二维界面概念是否适用于酸性OER过程中的零维SACs仍然难以确定。因此，精确控制锚定位点是实现真正的SACs空间均匀性和进一步分析催化行为的必要条件。

近日，南京航空航天大学彭生杰课题组利用载体的金属缺陷锚点成功地操纵Ru单原子在Co₃O₄表面的空间定位，显著提升了酸性OER活性。通过比较物理的、空间的和电子的差异，研究人员阐明了与酸中OER有关的中间体的原子细节。原位红外吸收光谱表明，Rua_ds表现出由晶格氧机制(LOM)途径主导的OER机制，而Ru_anc则是激活质子给体-受体功能的吸附质演化机制，这为SACs提供了一条规避定标关系的新途径。

此外，研究人员结合理论计算和operando X射线吸收光谱(XAS)，证实相互耦合的远端和吸附的*OO物种的解吸是决速步，导致Ru_ads组分的不稳定；相反，桥氧位点可以作为质子受体加速Ru_anc的质子迁移，打破单一的吸附-解离线性关系，从而提高OER活性。

因此，在0.5 M H₂SO₄溶液中，Ru_(anc)-Co₃O₄在10 mA cm⁻²电流密度下的OER过电位仅为要198.5 mV，远低于Ru_(ads)-Co₃O₄(298.1 mV)；并且Ru_(anc)-Co₃O₄在1.5 V处的质量活性高达4012.11 A g⁻¹，比Ru_(ads)-Co₃O₄高约109倍。此外，Ru_(anc)-Co₃O₄还具有优异的稳定性，其在酸性条件下连续电解150小时仅发生轻微降解。

总的来说，该项工作研究了不同空间位阻下单原子的催化行为，为理解SACs在酸性介质中的OER机理提供了新的视角，并为设计高性能的酸性OER催化剂提供了理论指导。

Switching the oxygen evolution mechanism on atomically dispersed Ru for enhanced acidic reaction kinetics. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c07777