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IF=44.6!乔世璋院士&郑尧,2026年首篇Nature Catalysis!

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2026-02-05
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成果简介
质子交换膜水电解槽(PEMWE)的寿命受进水纯度的影响很大。其中,反渗透(RO)是一种经济高效的净化方法,但残留离子通常会导致快速降解。基于此,澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋院士和郑尧教授(共同通讯作者)等人报道了一种钴掺杂二氧化钌(Co-RuO2)的阳极催化剂,并展示了其在RO供水的PEMWE中的应用。在该催化系统中,Co位点会从水中选择性地捕获氯离子(Cl),从而形成一个动态的阴离子排斥层,以保护Ru活性中心免受F、NO3和SO42−等侵蚀性物的损害,从而保障其结构的完整性。

此外,这种动态的Cl吸附效果还超越了此前关于晶格中的Cl能够稳定Ru催化剂的报道,并进一步提供了更持久的保护,确保Ru的长期稳定性。同时,晶格拉伸的Ru位点有助于在析氧反应(OER)过程中迅速形成富含质子的界面,有效地限制杂质阳离子进入膜内。因此,在商业反渗透进料条件下,该PEMWE在1.0 A cm-2的电流密度下实现了2000 h的稳定运行,其衰减率为10.2 μV h-1。同时,在五种具有代表性的商业混浊水样中也观察到了类似的稳定性,进一步证明了这种方法的可靠性。总之,这种自调节的PEMWE设计为从实际可用的水源中实现分散式和工业规模的绿色生产氢气提供了一种实用且成本低廉的解决方案。

乔世璋,澳大利亚科学院院士,阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授,能源与催化材料中心(Centre for Materials in Energy and Catalysis)主任,主要从事新能源技术纳米材料领域的研究,包括电池、电催化、光催化等。已获得多项重要奖励与荣誉,包括2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者(ARC Australian Laureate Fellow)、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖(DORA)。
图文导读
作者比较了反渗透(RO)水和去离子(DI)水中杂质离子浓度,RO水保留了Cl、Na+、Mg2+和Ca2+等残留离子,其浓度处于ppm级别,而DI水仅含有微量或几乎检测不到的杂质。氧化铱(IrO2)作为阳极催化剂的商业质子交换膜水电解槽(PEMWE)在使用纯DI水时运行效率良好,降解速率仅为28 μV/h。当使用不纯的RO水时,其性能在80 h内急剧下降,降解速率高达444 μV/h。在酸性条件下,Cl会引发竞争性析氯反应(ClER),加速Ir的溶解并损害催化剂表面,同时阳离子会迁移到Nafion膜中,增加其电阻并降低质子传导率。

图1. RO和DI水净化成本以及PEMWE中RO水的可行性
研究结果表明,Co含量为10%的催化剂具有最佳成分,其活性和OER选择性最高,该成分被用于后续的所有研究。在电流密度为50 mA cm-2下,RuO2的ClER法拉第效率(FE)为7.92%,而Co-RuO2仅为0.5%。当使用三电极配置时,Co-RuO2在RO水中表现出更好的稳定性,连续运行约1000 h(10 mA cm-2),而在DI水中不到400 h,表明RO水中的Co和Ru溶解量低于DI水。在RO水中仅观察到有限的Co3+,未检测到Co4+,表明氧化受到抑制,解释了Co-RuO2在RO水中的稳定性得到提高。

图2.电化学测试和稳定性增加原因
作者构建了一个以Co-RuO2作为阳极催化剂的PEMWE,并使用DI水进行测试。该PEMWE在DI水进料中于1.85 V下实现了4 A cm-2的电流密度,优于在DI水中使用的商业IrO2基准(1.95 V)。最重要的是,RO-PEMWE在1.0 A cm-2下连续运行了2000 h,且活性氯的生成量极低,降解速率仅10.2 μV h-1低于DI水中商业Ir基准的降解速率。Co-RuO2催化剂在电流密度范围从1.25-2 A cm-2的条件下实现了150 h的稳定运行,且没有发生副反应,表明其能够承受各种具有挑战性的运行条件,比大多数Ru基系统长5-10倍。

图3.实际条件下60℃ RO水供给的PEMWE性能

图4. Co-RuO2催化剂的阳离子耐受性及机制
在RO水中应用原位拉曼光谱技术,识别出了一个Co-Cl偶合振动模式。随着施加的阳极电位的增加,这个Co-Cl带的强度逐渐增强,在反向扫描时则减弱。在低偏压下,该带最终消失,证实了Cl在Co位点上的动态且可逆的吸附,而非在Ru位点上的氧化激活。在引入F后,RuO2上的Eg峰强度显著降低,表明F有很强的吸附作用,并且Ru活性位点出现部分失活。在相同条件下,Co-RuO2催化剂的Eg信号保持稳定,表明在存在F下表面的Ru位点仍保持电子可接触且结构完整。因此,Co-RuO2对更广泛的阴离子具有耐受性。

图5.阴离子阻断能力和双界面保护机制
最后,作者使用蒸馏水、5倍稀释自来水、DI水以及2种不同RO水共5种水源来验证PEMWE在复杂水质条件下的实际适用性。对于所有测试的水源,在电流密度为1 A cm-2时,它们对电压的响应与RO水相似,最低的电池电压为DI水的1.6 V,最高值为稀释自来水的1.62 V。在1 A cm-2下,经过1000 h的耐久性测试,这些PEMWE的降解速率在6.5 μV h-1至11 μV h-1,突显了PEMWE的稳定性。在稳定性分析后未检测到NH3或HF,表明在此操作条件下,既没有NO3的还原反应发生,也没有F引起的副反应发生。

图6.非纯水电解系统的多场景应用性能
文献信息
Cost-efficient and stable electrolysis of reverse osmosis water using a Co-RuO2-enabled PEM electrolyser. Nature Catalysis2026, https://doi.org/10.1038/s41929-025-01456-w.
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