使用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的水電解技術(shù)被認為最適合通過將間歇性可再生能源轉(zhuǎn)化為高純度H2來推動碳中和，因為它在電流密度和瞬時電流響應(yīng)方面優(yōu)于堿性水電解槽。然而，PEM水分解的大規(guī)模應(yīng)用受到水氧化催化半反應(yīng)的極大限制：1.Ir催化劑的高成本；2.Ir在催化析氧反應(yīng)(OER)中的高過電位。鑒于此，Ru以較低的價格、較高的地球豐度和較高的內(nèi)在OER活性吸引了人們的研究興趣。然而，Ru的氧化物在苛刻的陽極和酸性條件下的穩(wěn)定性仍然長期未得到解決，Ru的實際利用是不現(xiàn)實的。因此，提高Ru基催化劑的反應(yīng)穩(wěn)定性迫在眉睫。基于此，中科院長春應(yīng)化所葛君杰、邢巍和王穎等提出了一個直觀的描述符(Ru電荷)，以描述催化劑的整體活性和穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，盡管催化劑的不穩(wěn)定性很復(fù)雜，但它與Ru電荷和Ru-O鍵斷裂的困難程度密切相關(guān)，即氧空位(ΔGVO)和Ru空位(ΔGVRu)之間的生成能平衡。因此，研究人員通過通過控制M-O-Ru結(jié)構(gòu)來改變RuO6基序周圍的螯合元素，不僅成功地調(diào)節(jié)了反應(yīng)機制(選擇是否將晶格氧參與到反應(yīng)中(LOM))，而且還調(diào)整了吸附質(zhì)演化反應(yīng)下的活性和穩(wěn)定性(AEM)。基于以上分析，研究人員篩選出具有Sn-O-Ru局部結(jié)構(gòu)的SnRuOx固溶體(該固溶體遵循具有適當(dāng)Ru-O結(jié)合強度的AEM)。性能測試結(jié)果顯示，SnRuOx催化劑在1.48 VRHE的電壓下表現(xiàn)出較高的效能(2360 A gRu?1)，以及較高的TOF值(0.63 s?1)。此外，該催化劑表現(xiàn)出迄今為止最好的反應(yīng)穩(wěn)定性，其在100 mA cm?2電流密度下以及催化劑負載量為41.65 μgcat cm?2的情況下，在250 h試驗期間過電位僅增加26.8 mV；在可擴展的質(zhì)子交換膜電解槽中，在1 A cm?2下連續(xù)反應(yīng)1300小時的耐久性試驗中，該催化劑具有53 μV h?1的最小降解速率。總的來說，該項工作提出了一個可行的構(gòu)想，并且建立一個穩(wěn)定和高效率的Ru基催化劑，這為Ru基材料在PEMWE的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Customized Reaction Route for Ruthenium Oxide towards Stabilized Water Oxidation in High-performance PEM Electrolyzers. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36380-9
使用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的水電解技術(shù)被認為最適合通過將間歇性可再生能源轉(zhuǎn)化為高純度H2來推動碳中和，因為它在電流密度和瞬時電流響應(yīng)方面優(yōu)于堿性水電解槽。然而，PEM水分解的大規(guī)模應(yīng)用受到水氧化催化半反應(yīng)的極大限制：1.Ir催化劑的高成本；2.Ir在催化析氧反應(yīng)(OER)中的高過電位。
