北京化工大学孙晓明团队开发新型Ge-RuO₂电催化剂：低过电位、高稳定性双突破- 大数跨境

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北京化工大学孙晓明团队开发新型Ge-RuO₂电催化剂：低过电位、高稳定性双突破

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2025-10-24

导读：北京化工大学孙晓明团队开发新型Ge-RuO₂电催化剂：低过电位、高稳定性双突破

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文章信息

Ge-Doped RuO₂ for Stable and Active Acidic Oxygen Evolution Reaction

第一作者：刘燕、曹爱青

通讯作者：孙晓明*，周道金*，李亚平*

单位：北京化工大学化学资源工程国家重点实验室；清华大学深圳研究院氢能研发中心

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研究背景

在可再生能源制氢技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）因其高电流密度、响应快、能效高而备受关注。然而，阳极析氧反应（OER）动力学缓慢、且在强酸环境下缺乏稳定且经济的催化剂，成为限制因素。

目前商用IrO₂虽活性高但资源稀缺，RuO₂ 是潜在替代者，但其在酸性条件下易失稳。为提升性能，金属掺杂已被广泛研究，但非金属掺杂对结构与反应动力学的影响尚不明朗。

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文章简介

北京化工大学孙晓明、周道金、李亚平团队联合清华大学深圳研究院氢能研发中心，报道了一种非金属锗（Ge）掺杂的鲁二氧化物（RuO₂）催化剂。研究发现，适量的 Ge 掺杂（Ge_0.1Ru_0.9O₂）可显著提高RuO₂在酸性条件下的析氧活性与稳定性。该催化剂在 0.5 M H₂SO₄ 电解液中实现了仅 161 mV 的超低过电位（@10 mA·cm⁻²），并在 100 mA·cm⁻² 下稳定运行 650 小时，性能优于大多数已报道的Ru基电催化剂。

机理研究表明，Ge 掺杂通过电子调控与结构稳定双重效应，增强了Ru-O键的稳定性、促进水分解与OH*吸附形成，显著降低了水分子解离能垒（从0.62 eV降至0.07 eV）。

该工作首次从非金属阳离子掺杂角度揭示了水分解动力学与晶格稳定性协同增强的机制，为设计新型高效Ru基催化剂提供了新思路。

图1. 界面羟基与水结构对RuO₂的影响。

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本文要点

要点一：性能突破，兼具高活性与超稳定性

该研究中制备的 Ge 掺杂 RuO₂（Ge_0.1Ru_0.9O₂）催化剂在酸性条件下展现出卓越的电化学性能。仅需 161 mV 的过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度，远低于多数已报道的 Ru 基催化剂。同时，在高电流密度（100 mA·cm^-2）下可持续稳定工作长达 650 小时，衰减速率仅 0.164 mV·h⁻¹，创下了 RuO₂在酸性氧析出反应（OER）中的新稳定性纪录。与传统的 RuO₂相比，Ge 掺杂不仅提高了反应动力学，还有效抑制了 Ru 的溶出，使催化剂在强酸环境中保持结构完整与长周期活性。

要点二：结构调控，原子级掺杂实现电子结构优化

研究团队采用溶胶-凝胶法实现了 Ge 元素在 RuO₂晶格中的均匀掺入。Ge⁴⁺离子半径略小于 Ru⁴⁺，可以实现同价等结构替位，从而引起晶格的微收缩与电子结构的重新分布。这种“电子调控效应”使 Ru 的价态略有下降，降低了其过度氧化倾向，同时增强了 Ru-O 键的稳定性。高分辨透射电镜（HRTEM）和 XPS 分析进一步证实，Ge 在原子尺度上均匀分布，形成稳定的 Ge-O-Ru 键连接，有效防止了氧空位过多或表面结构坍塌。这种精确的原子调控为构建高活性、高稳定的 Ru 基OER催化剂提供了新思路。

要点三：反应机制揭示，Ge促进水分解与中间体形成

通过原位红外（ATR-SEIRAS）与同位素标记差分电化学质谱（DEMS）实验，研究揭示了 Ge 掺杂后催化反应机理的显著变化。Ge_0.1Ru_0.9O₂主要遵循吸附演化机制（AEM），有效避免了晶格氧参与反应引起的结构破坏。与未掺杂样品相比，Ge 掺杂促进了表面 OH* 和 *OOH 关键中间体的形成，显著加快了电子转移和水分子裂解过程。密度泛函理论（DFT）计算表明，Ge 掺杂使 *O→*OOH 步骤的能垒降低约 0.15 V，同时将水分解的活化能从 0.62 eV 降至仅 0.07 eV，大幅提升了反应动力学。电子态密度（PDOS）分析显示，Ge 向 Ru 的电子转移带来了 d 带中心的上移，从而优化了吸附能与反应自由能路径。

要点四：应用前景，指引Ru基催化剂新方向

该工作不仅展示了金属元素 Ge 掺杂在调控 Ru 基催化剂电子结构与稳定性方面的潜力，更为高性能酸性析氧电极的设计提供了通用策略。通过金属阳离子掺杂实现对水分子活化及界面反应稳定性的精细调控，本研究拓宽了人们对酸性析氧反应（OER）本征机理的理解。未来，这一“Ge 掺杂调控策略”有望推广至其他过渡金属氧化物体系，如 IrO2、Co₃O₄ 等，用于开发低贵金属、高耐久性的酸性电解水阳极材料，为绿色制氢与可再生能源转化提供新的材料设计思路与技术路径。

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文章链接

Ge-Doped RuO₂for Stable and Active Acidic Oxygen Evolution Reaction

https://doi.org/10.1002/smll.202508783

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通讯作者简介

孙晓明教授简介：北京化工大学教授，博士生导师。2000年和2005年于清华大学化学系获理学学士和理学博士学位。2008年在斯坦福大学完成博士后研究回国，进入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室工作。2011年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2019获年中组部万人计划领军人才。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。目前已在Nature, Nat. Catal., Joule, Chem, Nat. Commun., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等国际能源材料与化学主流刊物以通讯作者发表论文200余篇，引用数三万余次；出版专著一本。申请国际专利13项，获授权3项；获国家发明专利授权80余项，近10项已经完成转化。曾承担国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际（地区）重点合作项目、国家重点研发项目等多项科研项目。

周道金副教授简介：北京化工大学副教授，2019年12月博士毕业于北京化工大学，随后在多伦多大学、美国西北大学开展博士后工作，研究兴趣主要包括无机材料合成及电催化应用。目前以（共同）第一作者及通讯作者在国际知名期刊Nature, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc, Chem. Soc. Rev., Sci. Bull.等发表文章40余篇，他引超过4000次。以项目负责人的身份主持国家自然科学基金面上项目、青年基金，北京市自然科学基金青年项目等项目7项, 2022年获得中国科协青年人才托举工程第八届 (2022-2024年度) 项目支持。

李亚平副教授简介：北京化工大学副教授。2005年3月毕业于北京理工大学，目前就职于北京化工大学化学学院。主要从事过渡金属及其氧化物的电催化性能的理论模拟计算和研究，现阶段主要体现在电解(海)水，氧还原，二氧化碳还原等领域。目前在国内外SCI收录杂志上发表论文50余篇，其中主要包括Small, ACS AMI, Nanoscale, J. Catal., Science China Materials., Mol. Catal., J. Chem. Phys., Chem. Phys. Lett., Phys. Rev. E., Phys. Lett. A等等。