南航彭生杰Nature子刊：构建非化学计量Ti4O7载体，稳定Ru颗粒以增强pH通用水分解

阴离子交换膜(AEM)和质子交换膜(PEM)电解槽是实现水电解产氢的有效装置，通常它们依靠铂(Pt)基催化剂进行析氢反应(HER)。此外，PEM电解槽还需要耐腐蚀的铱(Ir)基材料来维持酸性条件下的析氧反应(OER)。

贵金属的大量消耗导致了PEM的高昂成本，阻碍了其商业化应用。成本相对较低的Ru是Pt/Ir的有效替代品，并且Ru纳米粒子在水分解中表现出独特的HER和OER双功能优势。

然而，在HER中Ru对*H中间体表现出强的亲和力，在OER过程中Ru容易形成可溶性Ruⁿ⁺物种(n>4)，因此提高Ru NPs在HER和OER中的活性和稳定性是一个挑战。

在众多的催化剂设计策略中，负载型催化剂由于载体和活性相之间的充分接触可以构建合适的金属-载体相互作用和稳定的界面来调节界面位点的配位构型和电子结构，从而优化活性中心的催化性能和稳定性。

基于此，南京航空航天大学彭生杰课题组通过合理的非化学计量工程设计，将金属Ru锚定在一系列钛氧化物(TiO、Ti₄O₇和TiO₂)上，并研究了其水分解活性和稳定性增强机制。

实验结果表明，Ti₄O₇的非化学计量比设计有助于实现其与Ru的金属-载体适当相互作用；Ru纳米粒子通过稳定的Ti-O-Ru单元富集电子，抑制了LOM，加速了OER的去质子化。此外，Ti₄O₇与Ru之间的功函数适配使HER趋向于氢溢出机制，从而加快了反应动力学。

电化学性能测试结果显示，在酸性条件下，Ru/Ti₄O₇催化剂在10 mA cm⁻²电流密度处的HER和OER过电位分别为8 mV和150 mV，并且其能够稳定运行长达500小时。以Ru/Ti₄O₇作为阴极和阳极组装的水电解槽能够在1.44 V的电压下以10 mA cm⁻²的电流密度驱动水分解，并且其在宽pH范围内也表现出优异的水分解活性。

此外，与商业RuO₂ǀǀPt/C相比，利用Ru/Ti₄O₇组装的PEM器件具有更低的槽电压和更高的稳定性，并且可在500 mA cm⁻²下连续稳定运行200 h，表现出有良好的工业化应用前景。综上，该项工作揭示了载体的合理设计对材料性能提升的重要性，为今后高效催化剂的合理构建开辟了新的途径。

Constructing regulable supports via non-stoichiometric engineering to stabilize ruthenium nanoparticles for enhanced pH-universal water splitting. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46750-6