橡树岭国家实验室/田纳西大学，Angew.: 熔盐法构筑金红石相氮掺杂钌钛氧固溶体用于高效酸性析氧反应

第一作者：Fan Wang (汪帆), Weitian Wang(王维天)

通讯作者：Tao Wang (王涛)*, Feng Yuan Zhang*, Sheng Dai (戴胜)*

单位：University of Tennessee; Oak Ridge National Laboratory; Georgia State University; Georgia Institute of Technology

在质子交换膜水电解（PEMWE）中，酸性析氧反应（OER）是决定系统效率与稳定性的关键过程。目前常用的Ir基催化剂虽然活性高，但成本昂贵、资源稀缺，限制了大规模应用。RuO₂因其较高的活性和较低成本被认为是最具潜力的替代物，但在酸性条件下稳定性不足。通过与耐酸稳定氧化物（如TiO₂）形成固溶体，可显著提高Ru的稳定性。然而TiO₂导电性较差，因此构建高导电性、稳定性的Ti–Ru固溶体成为研究热点。

近日，橡树岭国家实验室/田纳西大学戴胜、王涛与田纳西大学的Feng Yuan Zhang教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Flux synthesis of Lattice-engineered Rutile Solid Solutions for Acidic Oxygen Evolution”的研究文章。该研究报道了一种低温熔盐助剂法制备Ti–Ru晶格工程化固溶体的策略。研究团队利用NaNO₃熔盐作为反应介质，促进TiN在350°C下选择性氧化为金红石TiO₂，同时与原位生成的RuO₂纳米颗粒发生晶格诱导和离子交换，形成均一固溶体。氮元素在反应过程中被稳定掺入晶格中，实现带隙调控与导电性提升。所得催化剂M-TiRu4在酸性条件下表现出优异的析氧性能（10 mA cm⁻²@194 mV），在600小时稳定性测试中几乎无性能衰减。

传统的TiO₂基催化剂在高温合成中往往面临相混、团聚及结构不可控等问题。该研究创新性地引入NaNO₃熔盐作为反应介质，在仅350 °C条件下实现了TiN向金红石TiO₂的定向转化。熔盐环境为离子迁移和晶格重构提供了理想反应场，而原位生成的RuO₂纳米颗粒进一步诱导TiN晶格的择优转变与扩散，从而在低温下实现了Ru与Ti原子均匀分布的固溶体结构。这一方法打破了常规高温固溶路线的限制，为低温精准晶格工程提供了新范式。

在金红石Ti–Ru固溶体形成过程中，氮原子能够自发地嵌入晶格间隙或取代部分氧位点，形成稳定的金属–氮键。氮的掺入不仅缩窄了材料的带隙，还显著提升了电子导电性，使催化剂在高电位下仍具优良的电荷传输能力。相比常规后掺杂方法，该熔盐体系中的“原位掺杂”避免了结构破坏，实现了晶格与电子结构的协同优化，充分体现出“结构–性能耦合”的设计理念。

通过上述结构与电子调控，所得M-TiRu4催化剂在酸性析氧反应中表现出极高的活性与稳定性：在0.5 M H₂SO₄中，10 mA cm⁻²电流密度下的过电位仅为194 mV，并可稳定运行600小时而无明显衰减。进一步在质子交换膜电解水（PEMWE）器件中测试时，电极在2 A cm⁻²电流密度下仅需1.64 V电压即可维持稳定运行200小时。该结果不仅展示了催化剂优异的酸性稳定性，也验证了其在实际电解水系统中的工程化应用潜力。

该研究提出的熔盐法为高稳定性、低贵金属用量的酸性OER催化剂提供了新思路。未来工作可进一步拓展至其他过渡金属固溶体系及高熵氧化物，以实现高活性与长寿命的电解水器件。

Flux synthesis of Lattice-engineered Rutile Solid Solutions for Acidic Oxygen Evolution

王涛博士：美国橡树岭国家实验室（ORNL）化学科学部纳米材料化学组的研究员。在2020年加入橡树岭国家实验室之前，他在吉林大学完成了化学学士和博士学位，并在那里工作了数年。2019年至2020年期间，他在田纳西大学诺克斯维尔分校化学系戴胜教授的指导下，从事博士后研究工作。他目前的研究主要集中在锂离子电池回收、高熵材料的合成及其在能源存储与转化中的应用。2025年王涛博士的研究获得2项R&D100奖。

Feng Yuan Zhang教授：现任美国田纳西大学诺克斯维尔分校机械与航空航天工程系教授。1999年获日本名古屋大学博士学位，先后在斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校、宾夕法尼亚州立大学和特拉华大学从事科研工作。2002年至2022年间，他在田纳西大学及其空间研究所任教。张教授的研究方向涵盖微/纳尺度流体、传热与燃烧，多功能材料，微/纳机电系统（MEMS/NEMS），低排放推进与高效燃烧，电化学储能与能量转换（如燃料电池、电解器、电池），以及可再生能源与混合能源系统的热管理和光谱诊断技术。他是ASME、AIAA、ECS和ASEE等多个国际学会的活跃成员，并曾担任多个国际会议的分会主席与组织者。因其在科研与创新领域的杰出贡献，张教授荣获2022年田纳西大学TCE科研成就奖和2023年MABE技术转化与创新奖。

戴胜教授：美国橡树岭国家实验室（ORNL）化学科学部的企业研究员及部门主管，负责分离科学与高分子化学领域的四个研究团队，同时也是田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK）化学系教授。他的主要研究兴趣包括离子液体、多孔材料及其在分离科学、能源存储和纳米材料催化中的应用。2022年，他因在功能材料开发方面的开创性研究被美国能源部（DOE）授予“杰出科学家奖”。他的研究成果曾获得多个国际奖项，包括：2020年麦克斯·布雷迪格离子液体与熔盐奖; 2019年美国化学会分离科学与技术奖; 2018年国际介孔材料协会颁发的IMMA奖; 2016年巴特尔杰出发明家奖，以及8项R&D100大奖。他是材料研究学会会士（MRS Fellow）和美国科学促进会会士（AAAS Fellow）。美国田纳西大学及橡树岭国家实验室双聘教授，在多孔材料、离子液体及熔盐化学领域作出突出贡献。