Nano Energy：揭示Ru-O强共价性的起源，破解RuO2酸性OER活性-稳定性权衡难题

第一作者：刘阳，王艺璇，马瑞彤

通讯作者：刘阳*，李浩*，吴明铂*，Hyoyoung Lee*

单位：山东大学，韩国成均馆大学，南京工业大学，北京化工大学，浦项科技大学，中国石油大学

质子交换膜水电解（PEMWE）是实现绿色氢能制备的关键技术之一。然而，目前阳极催化剂主要依赖昂贵的IrO2，限制了其规模化应用。RuO2因其优异的活性被视为理想替代材料，但在酸性高电位下易发生晶格氧参与反应（LOM）和Ru过氧化溶解，导致快速失活。尽管已有研究将这一问题归因于过强的Ru-O共价性，但其电子层面的起源仍未被充分揭示。本文首次提出通过调控氧晶格位点的电子局域化来重塑Ru-O共价性，为实现RuO2催化剂活性和稳定性的协同优化提供了全新思路。

近日，来自山东大学化学与化工学院的刘阳研究员与中国石油大学（华东）吴明铂教授、韩国成均馆大学的Hyoyoung Lee教授团队合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Electron Localization in Ru4d-O2p Covalent Orbitals Dictates the RuO2 Catalyst Stability in PEM Water Electrolyzers”的研究论文。该工作提出了一种普适性策略：通过引入高价金属（Mo、Ta、W）掺杂诱导RuO2中氧晶格位点的电子局域化，从而弱化Ru-O共价性，抑制晶格氧参与反应，显著提升催化剂在酸性水氧化中的稳定性。实验结果表明，Mo掺杂的RuO2催化剂在0.5 M H2SO4中表现出149 mV的低过电位和超过1000小时的优异稳定性，PEM电解槽测试也验证了其工业应用潜力。

DFT计算表明，高价金属（Mo、Ta、W）与氧之间形成强δ键，显著增强了氧位点的电子局域化，抑制了O 2p与Ru 4d轨道间的π型杂化，从而弱化了Ru-O共价性。该机制提升了氧空位形成能（如Mo掺杂达2.135 eV），有效抑制了晶格氧参与反应（LOM），并稳定了Ru的氧化态（<+4），有利于吸附演化机制（AEM）的进行。

XANES和EXAFS分析证实，Mo、Ta、W在TS-RuO₂中呈现高于+4的氧化态（Mo为+5.56），而Cu、Sn、Sb等低价金属则呈现<+3的氧化态。高价金属掺杂促使电子向氧位点甚至Ru位点局域化，形成更稳定的-O-Ru结构，抑制氧空位生成和Ru溶出。

在0.5 M H2SO4中，RuO2催化剂在10 mA cm-2下的过电位仅为149 mV，质量活性达3.58 A mgRu⁻¹（1.5 V vs. RHE），并在1000小时稳定性测试中表现出仅0.04 mV h⁻¹的极低衰减速率。相比之下，低价金属掺杂催化剂性能显著劣化，进一步验证了高价金属调控电子局域化的优势。

在实际PEM电解槽中，RuO2作为阳极催化剂在80°C纯水条件下，1.6 V即可达到1 A cm-2，并在200 mA cm-2和500 mA cm-2下分别稳定运行700小时和200小时，衰减速率仅为0.14 mV h-1和0.5 mV h-1，展现出优异的工业应用前景。

Electron Localization in Ru4d-O2p Covalent Orbitals Dictates the RuO2 Catalyst Stability in PEM Water

DOI:10.1016/j.nanoen.2026.111823

刘阳简介：山东大学化学与化工学院研究员，山东省海外高层次人才、山东大学齐鲁青年学者。目前在山东省物质创制与能量转换科学重点实验室（负责人：李玉良院士）独立开展工作。长期致力于高性能析氢、石墨炔基新型催化剂的开发。共发表SCI文章30余篇（他引2600余次），其中一作/通讯论文16篇，包括Nature Commun. （2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、ACS Nano（3篇）等领域内顶级期刊。独立主持山东省泰山学者（青年）人才专项、山东省优青（海外）、山东大学高层次人才引进、韩国国家级基金等项目。

李浩简介：北京化工大学副教授。研究方向包括电化学催化、蛋白质错误折叠以及人工智能相关的药物和材料设计。已发表超过40篇论文，包括Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊。

吴明铂教授简介：青岛科技大学副校长， 中国石油大学（华东）/青岛科技大学教授，博士生导师。国家级领军人才，山东省泰山学者特聘教授。主要从事重质油高附加值利用、新型碳材料研发、二氧化碳转化利用等方面工作，研究成果已应用于水质净化/污水处理、储能等领域，创造了显著的经济社会效益。在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.等国际知名刊物发表SCI论文300余篇，获授权中国、美国专利80余项，获省部级科技奖励11项。主持国家重点研发计划项目、国家基金重点项目等省部级以上科研项目30余项。

Hyoyoung Lee教授简介：韩国成均馆大学Fellow Prof., 化学院院长，长期从事电催化和能源转化领域的研究。其研究兴趣包括催化剂设计、反应机制研究和能源存储与转换技术。在相关领域发表了包含Nature、Nature Commun.等200多篇论文，H因子=74，并担任多个国际期刊的审稿人。