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郑州大学ACS Catalysis：晶格匹配策略起大作用，构建RuO2-CeO2用于高效催化酸性水氧化
电催化水分解被认为是大规模生产氢气的最佳方法。目前用于制氢的两种主流水分解技术是质子交换膜电解槽(PEMWEs)和碱性水电解槽。与碱性水电解相比，PEMWE具有能量利用率高、电流密度大和氢气纯度高等优点。然而，在PEMWE强酸性的工作环境下，必须使用贵金属催化剂：Pt通常用于阴极析氢反应(HER)，而Ir用于阳极的析氧反应(OER)。但贵金属稀缺的储量和高昂的价格阻碍了该技术的广泛应用。


值得注意的是，OER涉及四电子转移步骤，其能垒远高于HER(只涉及两个电子转移步骤)。为了达到最佳性能，PEMWE通常在阳极使用的Ir比在阴极使用的Pt多5倍。因此，发展PEMWE技术的关键就是发现高活性、稳定和耐酸的非Ir OER电催化剂。
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近日，郑州大学卢思宇和常江伟等采用简单的电沉积-煅烧法在碳布上生长了RuO2和CeO2纳米颗粒异质结构(RuO2-CeO2-CC)，并将其作为高效的耐酸OER电催化剂。
实验结果表明，所制备的RuO2-CeO2-CC电催化剂在酸性条件下表现出显著的OER催化活性，其在10 mA cm−2电流密度下的过电位仅为180 mV，Tafel斜率仅为58.9 mV dec−1，优于大多数文献报道的酸性OER电催化剂。并且，该催化剂在1.41 VRHE下连续运行1000小时而没有发生明显的活性下降，反应后催化剂的形貌和结构与初始状态一致。
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原位ATR-SEIRAS、原位DEMS和密度泛函理论(DFT)计算结果显示，在OER过程中，RuO2-CeO2的界面和非界面位点分别同时遵循OPM和AEM机制。在非界面RuO2位点观察到吸附质演变机制的增强版(AEM-plus)，由晶格匹配引起的晶格应变扭曲了RuO2的结构并激活Ru活性位点附近吸附的*OH的去质子化，有利于*OH的稳定吸附，降低了AEM反应路径的能垒；相反，氧化路径机制(OPM)发生在RuO2-CeO2界面，Ru和Ce原子之间的电子转移通过Ru-O-Ce桥产生强烈的电子耦合效应，直接连接相邻位置的氧自由基，使得该体系具有较低的总反应能垒和较快的反应动力学。此外，Ru-O-Ce桥起到了抑制Ru溶解的作用，使RuO2-CeO2-CC电催化剂在酸性条件下具有良好的稳定性。
RuO2–CeO2 lattice matching strategy enables robust water oxidation electrocatalysis in acidic media via two distinct oxygen evolution mechanisms. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.3c06182
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