北化工/浙工大JACS: 理论计算+实验！过渡金属掺杂RuO2作为耐酸OER电催化剂

与其他制氢方法相比，电催化水分解作为一种新型可再生能量转换装置，已被广泛认为是一种更有前途、更可持续的无碳绿色氢生产技术。与碱性水电解相比，质子交换膜水电解(PEMWE)具有较少的不利反应、较低的电阻损失和较快的系统响应等优点，快速响应特性使其能够利用风能、太阳能等间歇性能源进行连续制氢。但是，由于高电压和酸性环境，大多数OER电催化剂在PEMWE中严重降解。因此，设计具有长期稳定性和高活性的酸性OER催化剂以满足PEMWE的要求是一项重大挑战。

密度泛函理论(DFT)计算筛选是一种方便、有效的催化剂快速探测方法。它可以避免实验室中的大量试错实验，从而减少工作量和节省时间和节省成本。基于此，北京化工大学曹达鹏和浙江工业大学胡钟霆等以RuO₂为模型催化剂，首先采用显式硫酸溶解模型计算了Ru在3d过渡金属阳离子掺杂的MRuO_x (M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)中的溶解行为，并系统研究了它们在酸性OER中的耐久性。

DFT结果表明，ZnRuO_x催化剂显示出优异的反应稳定性。为验证该结果，研究人员通过实验合成了上述MRuO_x材料，发现ZnRuO_x确实表现出强大的酸性OER稳定性，其在15000个CV循环之后，10 mA cm⁻²电流密度下过电位的衰减可以忽略不计。

重要的是，使用ZnRuO_x作为阳极的PEMWE可以在200 mA cm⁻²下稳定运行120小时，而基于RuO_x的PEMWE在200 mA cm⁻²下仅保持约23小时的稳定性。

此外，基于光谱表征结果，研究人员进一步揭示了ZnRuO_x的稳定机制，即在ZnRuO_x纳米晶外部掺杂的Zn原子形成一个“富Zn”的壳层，有效地缩短了材料中Ru-O键的平均长度，增强了Ru-O相互作用，从而提高了ZnRuO_x在酸性OER中的内在稳定性。总之，该项工作不仅提供了一个新的研究范式，即使用密度泛函理论计算指导实验合成，而且提供了一个以3d金属掺杂作为RuO₂稳定剂的通用原则。

Designing 3d transition metal cation-doped MRuO_x as durable acidic oxygen evolution electrocatalysts for PEM water electrolyzers. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c04096

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