近日，蒋昆副教授课题组在酸性电解水阳极材料和器件设计研究方面取得新进展，在催化领域期刊ACS Catalysis上发表了题为Electronic Structure Modulation of RuO2 by TiO2 Enriched with Oxygen Vacancies to Boost Acidic O2 Evolution 的研究成果，合作研究单位包括上海电力大学、武汉大学、复旦大学、上海高等研究院，蒋昆副教授为通讯作者。

图1. 尺寸稳定电极上氧空穴位点对于材料电子结构的调制作用示意图

基于质子交换膜电解槽（PEMWE）的酸性水分解技术是目前最成熟的绿氢制备工艺；相较2电子转移的阴极析氢半反应而言，阳极水氧化过程（OER）是整个PEM电解水的决速步骤。由于强酸性环境、高氧化电位的严苛操作条件，阳极材料目前多局限于Ir，Ru基贵金属氧化物。相较储量稀少的IrO2而言，RuO2不仅成本更为低廉，也具有更高的OER电催化活性，但在实际水氧化过程中会由于载体腐蚀、高价态Ru6+ /Ru8+溶出等问题，而无法稳定运行。

针对酸性介质中RuO2催化的OER过程，目前主要有两种反应路径被广泛接受，即晶格氧机制（LOM）和吸附质演化机制（AEM）。在AEM中，四个协同的质子-电子转移步骤发生在单个Ru位点上，因此，适当调节*O的吸附强度可显著调控OER的反应活性，降低过电位需求，从而提升OER稳定性。在LOM中，催化剂晶格氧的交换虽然可以降低OER反应能垒，但不可避免会产生可溶性RuO2(OH)2、RuO4物种，加速催化剂腐蚀。对此，通过分散度和电子结构调制，开发低成本、高活性的RuO2基阳极材料，同时抑制LOM路径以提升电催化稳定性，是实现钌基氧化物稳定驱动PEMWE运行的重要途径。

图2. RuO2模型表面OER的反应路径和能垒分析，以及电化学原位拉曼表征

DFT理论计算表明，RuO2(110)/D-TiO2模型表面由基于Eley–Rideal路径的AEM反应机制占主导，从而规避了LOM机制对于RuO2晶格结构的破坏及活性位点的流失；且RuO2(110)/D-TiO2相较无缺陷的TiO2 负载催化剂及RuO2 (110)模型表面，OER的限制电势 (UL) 最低，从理论上揭示了酸性OER高活性的原因。此外，所制备的RuO2/D-TiO2催化剂在三电极OER测试中，达到10 mA cm−2时仅需180 mV的过电位，PEMWE单体测试中2 A cm−2时电解槽槽压仅为1.84 V，能量转化效率达68.1%；且在200 mA cm−2下稳定电解超过100 h。

图3. OER稳定性评估和PEMWE电解槽测试结果

蒋昆副教授致力于表面电化学、能源材料和工程热物理的交叉研究，形成了具有特色的能源催化界面与器件研究方向。该工作受到上海交通大学“深蓝计划”资助，为深海环境原位制氧方向的系统性成果之一，相关工作陆续发表在Angewandte Chemie International Edition、ACS Sustainable Chemistry & Engineering（入选当期封面亮点研究）上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01944