在酸性條件下進行析氧反應（OER）時，由于催化劑的氧化和溶解以及電流-電容效應，基于氧化物的電催化劑存在不穩(wěn)定性問題，限制了它們在質子交換膜水電解（PEMWE）中的應用。

2025年2月28日，東北師范大學常進法、邢子豪、中佛羅里達大學（UCF）楊陽在國際知名期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表題為《Tailoring Octahedron-Tetrahedron Synergism in Spinel Catalysts for Acidic Water Electrolysis》的研究論文，霍孟田、 Hao Sun為論文共同第一作者，常進法、邢子豪、楊陽為論文共同通訊作者。

為了應對這些挑戰(zhàn)，作者定制了Co3O4尖晶石結構，并通過用Ni和Ru分別部分取代Co（記為NiRuCoOx），利用了四面體和八面體位點之間的協(xié)同作用。

這樣的催化劑設計產(chǎn)生了Ru-O-Ni電子耦合效應，促進了直接的二氧自由基耦合的OER途徑。

密度泛函理論（DFT）計算和原位拉曼光譜結果證實，Ru是雙原子氧機制中的活性位點，而Ni穩(wěn)定了晶格氧并形成Ru-O鍵。設計的NiRuCoOx催化劑的過電位異常低，僅為166 mV，電流密度為10 mA cm-2。

此外，作為PEMWE中的陽極，NiRuCoOx需要1.72 V的電壓才能達到3A cm-2的電流密度，-滿足了美國能源部（DOE）設定的2026年目標（1.8V@3A cm-2）。

與商業(yè)RuO2（2.13 mV h-1）相比，PEMWE設備可以穩(wěn)定運行超過1500小時，性能衰減率顯著降低至0.025 mV h-1。

本工作為定制尖晶石Co3O4的八面體-四面體位點提供了一種有效的方法，從而顯著提高了PEMWE的活性和穩(wěn)定性。

圖1：NiRuCoOx的設計原理示意圖

圖2：NiRuCoOx的合成與物理表征

圖3：XAS分析

圖4：OER性能測試

圖5：OER反應路徑與機理研究

圖6：PEMWE性能測試

綜上，本研究通過在具有尖晶石結構的Co3O4中部分替換Co原子為Ni和Ru，設計了一種新型催化劑NiRuCoOx，用于質子交換膜水電解（PEMWE）中的酸性析氧反應（OER）。研究揭示了Ni和Ru在催化劑中的協(xié)同作用，特別是Ru-O-Ni電子耦合效應，顯著提高了OER活性和催化劑的穩(wěn)定性。

該研究成功開發(fā)了一種具有極低過電位（166 mV）的NiRuCoOx催化劑，能夠在10 mA cm-2的電流密度下高效進行酸性OER。在PEMWE中，NiRuCoOx作為陽極催化劑，僅需1.72 V即可達到3A cm-2的電流密度，遠低于美國能源部（DOE）設定的2026年目標（1.8 V@3 A cm-2）。此外，該催化劑在1500小時的長期運行中表現(xiàn)出極低的性能衰減率（0.025 mV h-1），顯著優(yōu)于商業(yè)RuO2。

這一成果不僅為設計高效、穩(wěn)定的酸性OER催化劑提供了新的思路，也為質子交換膜水電解技術的商業(yè)化應用提供了重要的技術支持，有望推動綠色氫能源的發(fā)展。

Tailoring Octahedron-Tetrahedron Synergism in Spinel Catalysts for Acidic Water Electrolysis, J. Am. Chem. Soc., 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c00665.