钟俊教授、左自成教授、冯坤副教授，Small新作：RuOx-石墨炔氧桥电子回流实现稳定酸性析氧反应

第一作者：冯勇、钱立胜

通讯作者：冯坤、左自成、钟俊

单位：苏州大学功能纳米与软物质研究院、华北电力大学能源电力创新研究院

质子交换膜水电解槽（PEMWE）是清洁制氢的核心技术，其阳极析氧反应（OER）因四电子-质子耦合的缓慢动力学，成为制约电解水效率的关键瓶颈。铱基氧化物（IrOx）是目前工业上唯一认可的酸性OER催化剂，但高昂成本限制了规模化应用；氧化钌（RuO₂）成本更低且催化活性优异，却易因晶格氧介导机制（LOM）导致Ru过氧化生成可溶性Ru⁴⁺以上高价物种，造成活性位点流失、催化剂结构坍塌，难以稳定工作。调控Ru的价态、强化金属-载体相互作用（MSI），成为提升Ru基催化剂酸性OER稳定性的核心方向，而石墨炔（GDY）的多孔结构、碳-碳三键π共轭网络，为锚定Ru基物种、调控其电子结构提供了独特优势。

近日，苏州大学钟俊教授、冯坤副教授团队联合华北电力大学左自成教授等，在国际知名期刊Small上发表题为“Electronic Backflow Through Oxygen Bridge in RuOx‐Graphdiyne for Stable Acidic Water Oxidation”的研究论文。该工作通过在石墨炔（GDY）上原位生长RuOx物种，构建了Ru─O─C氧桥结构，利用强电子金属-载体相互作用（EMSI）实现OER过程中Ru位点的电子回流，有效抑制Ru过氧化；结合原位XAS、DFT计算等手段揭示了催化机制，所制备的RuOx-GDY催化剂展现出远超商用RuO₂的酸性OER活性与稳定性。

通过空气热处理法将 RuOx 原位生长在 GDY 上，GDY 的多孔结构和碳 - 碳三键 π 共轭网络可高效锚定 Ru 原子，抑制 Ru 物种团聚与迁移，形成平均粒径≈5 nm 的 RuO₂纳米颗粒，并构建独特的 Ru─O─C 氧桥结构。XRD、TEM、XPS 等表征证实，RuOx-GDY 中存在氧空位（Ov），且 GDY 与 RuOx 的电子相互作用使 Ru 的氧化态降至≈+3.8，为催化稳定性奠定结构基础。

在 0.1 M HClO₄电解液中，RuOx-GDY 在 10 mA cm⁻² 电流密度下的过电位仅 193 mV，远优于纯 RuOx（248 mV）和商用 RuO₂（283 mV）；Tafel 斜率低至 36.4 mV dec⁻¹，表明 OER 动力学显著提升。其周转频率（TOF，0.71 s⁻¹）和质量活性（1089.1 A g⁻¹）分别是商用 RuO₂的 28 倍和 29 倍。该催化剂在 10 mA cm⁻² 下稳定运行 300 h，降解率仅 0.13 mV h⁻¹；集成到 PEMWE 中时，在 1 A cm⁻² 下的电池电压仅 1.72 V，优于商用 RuO₂基电池（1.91 V）。

Ru K-edge XAS 表明，OER 过程中 Ru 位点在正电位下出现 “电子回流”，使得Ru位点保持稳定的低化学态。原位 C K-edge XAS 证实 GDY在OER过程中持续失去电子，证明电子通过 Ru─O─C 氧桥向从C向 Ru 注入电子，而这种电子回流机制能够有效抑制Ru位点的过度氧化。DEMS 和 TMA⁺实验表明，催化剂遵循吸附物演化机制（AEM）而非晶格氧介导机制（LOM）。DFT 计算显示，Ru─O─C 氧桥大幅降低了 O*到 OOH*的能垒，从而加速 OER 动力学。

该工作揭示了金属 - 载体电子相互作用调控 Ru 价态的新机制，为低成本、高稳定酸性 OER 催化剂的设计提供了新思路。未来可进一步探索不同碳基载体与Ru基物种的界面作用，结合原位电镜表征手段解析催化过程中的动态结构变化，精准调控氧空位含量与氧桥结构，推动Ru基催化剂在PEMWE中的产业化应用。

Electronic Backflow Through Oxygen Bridge in RuOx‐Graphdiyne for Stable Acidic Water Oxidation

冯坤副教授：现任苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）副教授、硕士生导师，主要研究方向围绕能源催化材料的设计开发与电催化析氧/析氢反应机制解析展开，尤其聚焦原位同步辐射表征技术在电催化反应微观机理揭示中的应用，通过精准捕捉催化过程中活性位点的结构演化与电子态变化，为高效催化剂的设计优化提供理论支撑。以第一作者、通讯作者身份在 Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Small 等权威期刊发表多篇高水平研究论文，相关工作在能源催化领域具有重要学术影响力。

左自成教授：教授，博士生导师，国家级青年人才。2006年本科毕业于四川大学；2011年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从李玉良院士；2011年-2013年，美国德州大学奥斯汀分校博士后，合作导师：Prof. Arumugam Manthiram；2013年，北大先行科技产业有限公司；2016年-2024年，中国科学院化学研究所助理研究员、副研究员；2024年8月至今，华北电力大学教授。2019年入选中国科学院青年创新促进会；2021年获得中国科学院杰出科技成就奖；2022年获得国家级青年人才。主持中组部人才项目1项，主持国家自然科学面上项目、青年基金、中国科学院人才项目各1项，作为骨干参与多项国家重点研发计划和国家自然科学基金重点项目。在Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun., Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Nano Energy, Energy Stor. Mater., Nano Today, 等期刊发表论文80余篇，申请中国专利4项，引用超6500余次，参与英文著作2部。是Adv. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., 等期刊审稿人。

钟俊教授：苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）教授、博士生导师，国家四青人才获得者。长期深耕纳米功能材料设计合成，聚焦电解水制氢、CO₂电催化还原等能源转化与存储领域，核心攻关电催化/光催化机制解析与高效催化剂开发。主攻同步辐射X射线谱学技术研发与应用，建立多种原位谱学装置，揭示纳米能源材料电子结构与性能的构效关系。学术成果突出：主持建设合肥光源首条同步辐射软X射线谱学原位线站（1280万元）；累计发表SCI论文160余篇（一作/通讯70余篇），含Science、Nature Communications等顶刊，其中合作发表的Science成果入选“2015年度中国科学十大进展”；提出氧化铁材料表面优化新机制，开发多款高效催化剂。学术影响力深厚：任苏州大学-西安大略大学同步辐射联合研究中心助理主任，上海/北京/合肥光源线站专家组成员，多次在同步辐射年会作大会邀请报告并为国内用户授课。

冯勇：苏州大学博士毕业生，师从苏州大学钟俊教授；现为北京航空航天大学（北航国新院）博士后，合作导师为中国科学院郭林院士。其研究方向聚焦能源催化领域核心科学问题，具体包括过渡金属氧桥结构调控及电子效应优化、原位同步辐射表征与催化反应机理解析、非晶态催化材料的可控制备与性能调控等。目前以第一作者身份在Nature Communications、ACS Nano、Small 等期刊发表多篇研究论文。