郑州大学卢思宇教授Journal of the American Chemical Society

第一作者：宋昊强、于镜坤

通讯作者：卢思宇*

单位：郑州大学

质子交换膜（PEM）电解水是极具前景的绿色制氢技术，但其产业化受制于酸性析氧反应（OER）催化剂的耐久性问题。Ru基催化剂活性高、成本相对较低，是替代昂贵铱基催化剂的有力候选者。然而，Ru在苛刻的酸性氧化电位下极易溶解和结构坍塌，导致快速失活。如何在不牺牲活性的前提下，大幅提升Ru基催化剂在酸性介质中的结构稳定性，是该领域亟待解决的关键科学挑战。

近日，来自郑州大学的卢思宇教授团队，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Electrochemical Formation of a MnO2 Nanoshield on Ru-Doped Mn₃O₄ for Ultrastable Acidic Oxygen Evolution Catalysis”的文章。该文章针对PEM电解水制氢中，阳极酸性析氧反应催化剂稳定性差的核心瓶颈，提出了一种创新的 “电化学原位构筑纳米盾”策略。优化后的催化剂在0.5 M H₂SO₄中达到10 mA cm⁻²仅需176 mV过电位，并在50 mA cm⁻²下稳定运行超过一年（8800小时）。在PEM电解槽中性能亦远超商用RuO₂，展示了巨大的工业化应用潜力。

“电场诱导原位构筑纳米盾”策略解决活性-稳定性矛盾本研究最核心的创新在于提出并验证了一种“电场诱导原位构筑纳米盾”的策略，成功破解了酸性OER中高活性与高稳定性难以兼具的关键难题。该策略巧妙地利用了Ru单原子掺杂的Mn₃O₄在电场下的本征结构响应（如层间滑移与极化旋转），驱动其表面自发、动态地重构，生长出一层多孔且稳定的MnO₂纳米盾。理论计算与实验证实，纳米盾扮演了“智能铠甲”的双重角色：一方面，其多孔结构确保了反应物和电荷的顺畅传输，进而不影响内部Ru活性位点的本征催化活性（过电位仅176 mV）；另一方面，它作为坚固的物理化学屏障，显著提高了Ru原子的溶解能垒，从而高效抑制了活性位点在强酸环境中的氧化溶解。这种“动态生成、原位保护”的机制，为实现催化剂的长期稳定运行提供了全新思路。

催化剂在极端酸性条件下实现突破性性能指标得益于上述纳米盾的保护，所开发的30RuSA-4Mn₃O₄催化剂在严苛的酸性电解质（0.5 M H₂SO₄）中取得了里程碑式的性能数据。其不仅展现出优异的初始活性（10 mA cm⁻²下的过电位低至176 mV，塔菲尔斜率46.7 mV dec⁻¹），更实现了创纪录的稳定性：在50 mA cm⁻²的工业相关电流密度下，可连续稳定运行超过一年（>8800小时）。更重要的是，当集成到实际的质子交换膜水电解槽中时，该催化剂在80°C、1000 mA cm⁻²的高负荷条件下，表现出极低的电压衰减率（0.15 mV h⁻¹）和卓越的运行平稳性，性能全面超越商用RuO₂基准。这些指标为其从实验室走向工业应用提供了强有力的数据支撑。

策略具有普适性潜力，并为高性能电催化剂设计指明新方向本工作所提出的纳米盾策略具有重要的方法论意义和潜在的普适性。其核心是借助载体材料在工况下的可控重构来生成保护层，这一设计理念可拓展至其他的催化体系（如Ir基、Co基催化剂），为解决一系列电催化反应中的稳定性瓶颈提供了通用性研究范式。此外，该研究通过多尺度表征与理论计算紧密结合，清晰完整地揭示了“纳米盾如何在不牺牲活性的前提下增强稳定性”的全链条机制，为未来理性设计兼具高效率与长寿命的先进电催化材料奠定了坚实的理论基础。研究同时表明，将这类新型催化剂与实际的器件工程相结合，是推动绿色制氢等能源技术走向产业化不可或缺的一步。

Electrochemical Formation of a MnO₂ Nanoshield on Ru-Doped Mn₃O₄ for Ultrastable Acidic Oxygen Evolution Catalysis

卢思宇教授简介：卢思宇，教授，博士生导师，中原基础领军，主要从事碳点的可控制备及其在发光、催化等领域的功能研究。主持青年科学基金项目B类（原优秀青年科学基金项目），区域联合重点，河南省卓越创新群体，国家自然科学基金面上，青年科学基金项目C类等项目；在Nat. Synth., J. Am. Chem. Soc., Natl. Sci. Rev.， Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.，等学术期刊发表论文200余篇，被引用38000余次，H因子108。兼任 Chin. J. Chem.（中科院一区）副主编；Chinese Chem Lett编委以及Sci. Bull., Sci. China Chem.等期刊青年编委；入选2022年度全球高被引科学家(科睿唯安)，2023年度中国高被引学者（爱思唯尔）；担任碳点功能材料理事会理事和全国碳点功能材料会议共同主席。