在全球能源结构转型和碳中和目标的背景下，氢能作为一种清洁、高效的能源载体，其开发和利用受到了国际社会的广泛关注。特别是在质子交换膜（PEM）水电解制氢技术领域，开发高效的氧气析出反应（OER）电催化剂对于提高制氢效率和降低成本至关重要。
南开大学焦丽芳教授团队在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，简称JACS）上发表的研究成果，为这一领域带来了重大突破。他们提出的非均相双位点氧化物途径机制（OPM），通过直接双氧自由基耦合，显著提高了酸稳定的OER电催化剂的效率，为PEM水电解制氢技术的发展提供了新的可能性。
研究背景
氢气（H2）作为一种清洁能源载体，对于实现可持续的低碳能源未来具有重要意义。可再生能源驱动的水电解制氢技术因其环境友好性和高能量转换效率而备受关注。然而，现有的PEM水电解技术在强酸性和高氧化条件下，往往需要依赖贵金属催化剂，如铱（Ir），这些催化剂成本高昂且供应有限。此外，钌（Ru）作为一种潜在的替代材料，虽然具有较低的成本和较高的活性，但其在OER条件下的稳定性仍然是一个挑战。因此，开发新型、高效的OER电催化剂，对于推动PEM水电解技术的商业化应用具有重要意义。
研究进展
焦丽芳教授团队的研究工作聚焦于开发一种新型的OER电催化剂，旨在通过非均相双位点氧化物途径机制（OPM）来提高催化剂的活性和稳定性。他们通过合金化铬（Cr）和钌（Ru）形成固溶体氧化物（CrxRu1–xO2），成功地促进了OH吸附并缩短了双位点之间的距离，从而有效地促进了*O自由基的生成，并提高了二氧化氧自由基的耦合效率。
OER机制从AEM转变为OPM的示意图（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
Cr0.6Ru0.4O2固溶体的结构表征（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
探究Cr0.6Ru0.4O2催化剂表面的微观环境（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
Cr0.6Ru0.4O2催化剂在300 mA cm–2的PEM水电解槽中展示了比RuO2更低的过电位，并保持了超过350小时的稳定运行。这一创新策略不仅提高了OER反应的效率，而且显著增强了催化剂的稳定性，为PEM水电解制氢技术的发展提供了新的解决方案。这种机制调控策略也为大规模绿色氢气生产所必需的最佳催化途径铺平了道路。
OER机制分析（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
Cr0.6Ru0.4O2的催化性能（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
研究亮点
- 优异的催化性能：Cr0.6Ru0.4O2催化剂在PEM水电解槽中展现出了优异的OER性能，其过电位低于RuO2，且在300 mA cm–2的电流密度下能够稳定运行超过350小时。
- 机制调控策略：该研究通过增加OH覆盖度和缩短双位点距离，有效地促进了O自由基的形成和二氧化氧自由基的耦合，为OER反应的机制调控提供了新的策略。
- 原位实验与理论计算：综合operando实验和理论计算的结果表明，Cr0.6Ru0.4O2催化剂在OER过程中遵循OPM路径，其中直接O-O自由基耦合作为关键步骤，这一发现为催化剂的设计和优化提供了重要的理论支持。
研究意义
焦丽芳教授团队的这一研究成果不仅为OER电催化剂的设计提供了新的机制调控策略，而且对于推动绿色氢能的生产和应用具有重要的实际意义。这一突破性进展有望降低PEM水电解制氢的成本，提高其效率，从而加速氢能技术的商业化进程。
文献信息
文献标题：Regulation of Oxide Pathway Mechanism for Sustainable Acidic Water Oxidation
作者：Xuejie Cao, Hongye Qin, Jinyang Zhang, Xiaojie Chen, Lifang Jiao
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c12942
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c12942
作者介绍
焦丽芳，南开大学化学学院教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，重点研发计划项目首席科学家。
获天津市自然科学一等奖(第一完成人)，第十八届中国青年女科学家奖。担任eScience，Chinese Chem. Lett. 期刊编委，中产协静电纺专委会副主任委员。主要研究方向聚焦于能源的高效储存与电催化转化：设计合成高性能锂/钠/钾离子电池关键电极材料，揭示新材料储能机制；设计开发催化活性高、稳定性好、选择性强的廉价电催化水分解催化剂。已在Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Chem. Sci. 等期刊发表SCI论文350余篇，总引用25100余次，H因子85。
声明：以上内容仅代表作者观点，如有不科学之处，欢迎指正。
