导语
氢能作为实现碳中和目标的关键清洁能源载体，质子交换膜水电解（PEMWE）作为规模化生产绿氢的核心技术备受关注。然而，其阳极氧析出反应（OER）催化剂一直面临成本与稳定性难题。北京科技大学王新东教授团队在《Advanced Energy Materials》上发表的论文，提出一种氮掺杂氧化钌 / 氮化钛（N-RuO₂/TiN）复合催化剂的创新设计，为 PEMWE 技术的产业化提供了新的解决方案，也为深圳中科精研在相关领域的探索提供了重要参考。
研究亮点
创新催化剂设计 ：提出 N-RuO₂/TiN 复合催化剂，通过以 TiN 纳米颗粒为氮源，结合低温退火工艺制备超小尺寸氮掺杂 RuO₂纳米晶，并构建 Ru-O-Ti 界面桥结构，从材料结构设计上解决钌基催化剂稳定性难题。
协同调控机制 ：实验表征与理论计算表明，低电负性氮的引入及界面电子传递效应协同优化钌位点电子密度分布，既削弱 Ru-O 共价键抑制晶格氧流失，又降低关键中间体（*OOH）生成能垒锁定反应路径，实现了对催化剂活性与稳定性的双重提升。
卓越电化学性能 ：所获催化剂在 0.5 M H₂SO₄ 中展现 159 mV@10 mA cm⁻² 的低过电势，在 1100 小时持续运行中电压衰减率仅为 26 μV h⁻¹，在 3 A cm⁻² 工业级电流密度下电解槽仅需 1.78 V 电压，性能超越现有铱基体系，展现出良好的工业应用前景。
图文解析
电催化剂合成与表征
图 1 展示 N-RuO₂/TiN 复合催化剂的合成策略与结构表征。通过溶剂热法结合低温退火工艺，超小 RuO₂ 纳米晶（~3.1 nm）与 TiN 纳米颗粒形成紧密异质界面，元素分布证实 N 成功掺入 RuO₂ 晶格。XRD 和 Rietveld 精修显示 N 掺杂导致 RuO₂ 晶格膨胀，Raman 光谱中 RuO₂ 振动峰的红移和展宽表明局部结构畸变，引入丰富低配位活性位点。TEM 和 EDS 进一步验证 TiN 的嵌入与 N 在 RuO₂ 相的均匀分布，为电子结构调控奠定基础。
图 2 通过 XPS 和 ESR 揭示 N 掺杂与界面效应对电子结构的调控作用。Ru 3d/3p 谱结合能负移表明 N 原子向 Ru 位点注入电子，降低氧化态并增强金属 - 载体相互作用。N 1s 谱和 O 1s 谱及相关信号证明缺陷形成。界面 Ru-O-Ti 桥结构通过 Ti 的电子供体效应进一步优化 Ru 位点电荷分布，协同削弱 Ru-O 共价性，抑制晶格氧流失。
电化学性能与稳定性
图 3 对比 N-RuO₂/TiN 与对照样品的电化学性能。在 0.5 M H₂SO₄ 中，N-RuO₂/TiN 的 OER 过电势和 Tafel 斜率显著优于纯 RuO₂，ECSA 归一化活性提升 3.2 倍。30 小时恒流测试后电位无衰减，DEMS 同位素实验信号比证实通过抑制 LOM 路径实现稳定性突破，为 PEMWE 应用提供关键保障。
理论计算
图 4 通过 DFT 计算揭示 N 掺杂和 Ru-O-Ti 界面结构的协同效应。氮掺杂使 Ru 的 Mulliken 电荷降低，d 带中心负移，削弱了 Ru 与氧中间体的吸附强度，优化 AEM 途径决速步。界面 Ru-O-Ti 结构中，Ti 通过氧桥向 Ru 位点供电子，进一步降低 Ru 的氧化态。Ru-O 键的 ICOHP 值表明 Ru-O 共价性减弱，抑制晶格氧流失。理论计算与实验数据一致，阐明电子结构调控对活性与稳定性的提升机制。
单电池性能
图 5 展示将 S10-T200 应用于 PEMWE 单电池的性能。在 3 A cm⁻² 电流密度下电压仅 1.78 V，优于美国能源部 2026 年目标，并在 1100 小时运行中电压衰减率低至 26 μV h⁻¹。电化学阻抗谱显示长期运行后性能衰减主要源于膜组件老化而非催化剂失活。扫描电镜证实阳极催化层在运行后未发生明显结构破坏，验证 N-RuO₂/TiN 在实际工况下的卓越耐久性。
总结与展望
本研究通过氮掺杂与异质界面协同策略构建 N-RuO₂/TiN 复合电催化剂，在 PEMWE 领域取得突破性进展。核心发现表明该催化剂在 0.5 M H₂SO₄ 中实现超低析氧过电势且运行极稳，所组装 PEM 电解槽性能优越。该工作为设计高稳定性钌基催化剂提供电子结构调控新范式，推动超小氮掺杂氧化物纳米晶的可控制备，为绿氢技术工业化奠定材料基础。未来可进一步探索催化剂在动态工况下的界面演化机制，并拓展策略至其他非贵金属氧化物体系，优化 PEMWE 系统的经济性与耐久性。
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