ACB综述： Ru/Ir基催化剂在酸性OER中的改性策略：活性-稳定性-成本的权衡

第一作者：高国梁

通讯作者：朱光*，孙自许*，Yamauchi Yusuke*, 刘书德*

单位：宿州学院，河南大学，东华大学

电催化水分解为可持续产氢提供了一条很有前途的途径。然而，动力学缓慢的析氧反应(OER)仍然制约着整体的效率，特别是在酸性环境的质子交换膜(PEM)系统。尽管科研人员在电解制氢催化剂的开发方面取得了广泛的进展。然而，寻求既具有高活性和稳定性，又价格合理的酸性OER催化剂仍然具有挑战性。与基于贵金属的催化剂相比，非贵金属基催化剂在酸性OER中使用时，在稳定性和效率上都表现出明显的差距，并且短时间内难以解决。目前，Ru/Ir基电催化剂是唯一实用的阳极催化剂。因此，探索可行的策略来提高Ru/Ir基电催化剂的电催化性能和寿命，同时降低其成本，对推动PEM技术的发展至关重要。

近日，来自宿州学院的朱光教授、河南大学的孙自许教授、昆士兰大学Yamauchi Yusuke教授和东华大学的刘书德研究员合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Recent advances in Ru/Ir-based electrocatalysts for acidic oxygen evolution reaction”的综述文章。该综述全面回顾了Ru/Ir基酸性OER催化剂的最新进展，首先介绍了两种经典的OER机理。随后，对近期关于Ru/Ir基催化剂的研究案例，包括纯金属、氧化物、合金和其他结构，进行了梳理，并做了交叉对比。然后，总结了改进催化活性和稳定性的一些高效策略。最后，对未来酸性OER研究的挑战和机遇进行了讨论。

对比分析了两种经典的OER机制，即AEM和LOM两种机制。在LOM循环中没有*OOH形成，打破了*OH和*OOH之间的线性标度关系(∆G*OOH−∆G*OH = 3.2±0.2 eV)所施加的约束。此外，催化剂中晶格氧充当中间物，从而减少了反应中间物广泛覆盖的必要性。因此，O-O结合步骤变得不那么费力(通常为AEM中的决速步)，表明LOM在理论上比AEM具有更优越的活性。然而，LOM中的催化剂结构在整个反应过程中经历了连续的动态变化。LOM中氧空位的出现会导致金属的溶解，从而降低催化剂的稳定性。这两种机制的主要区别在于OER过程中是否有晶格氧的参与。在实践中，AEM和LOM在OER过程中经常共存，导致一定程度的竞争，甚至出现两种机制之间的过渡。

总结了目前经典的Ru/Ir基催化剂在酸性OER研究进展，同时对每一种催化剂的优缺点和实用性进行了批判性分析和对比。在对Ru/Ir基OER电催化剂进行优化改性时，必须考虑三个基本因素：活性、稳定性和成本。在此，我们综述了包括结构设计，掺杂，应变工程，构建异质结，表面重构等改性策略。通过对众多改性措施的综合分析，可以看出各种策略之间是相互影响的。例如，在结构工程领域，传统的方法包括设计核壳结构，以保护内部活性物质免受电解质腐蚀。然而，表征设备的进步促进了更深层的研究，揭示了壳和核的晶格结构之间的差异可能导致核-壳结构界面处产生应变。

（1）在OER过程中，通常会在氧化物、氢氧化物和合金催化剂表面发生重构，重构后的物质通常被认为真正的活性位点。了解催化剂在实际操作条件下的真实活性位点，对于揭示其内在的催化机理至关重要。利用原位表征技术可以识别催化剂活性位点，监测反应物和中间体的转移。（2）未来的研究方向应主要集中在减少催化剂中贵金属的负载量上。一方面探索用于制备高度分散的贵金属催化剂的适当支撑材料。这些支撑材料必须满足特定的标准，如耐腐蚀性、良好的导电性和较大的比表面积。此外，受燃料电池中普遍使用的核-壳结构催化剂的启发，可以设计具有核-壳结构的酸性OER催化剂，在内核内可采用非贵金属材料，而在外壳内可采用贵金属材料。也可以先制备贵金属-非贵金属合金，然后通过高温表面偏析过程形成核-壳结构。

Recent advances in Ru/Ir-based electrocatalysts for acidic oxygen evolution reaction

朱光 教授简介：硕士生导师，自旋电子与纳米材料-安徽省重点实验室主任，安徽省“特支计划”创新领军人才，宿州学院学术委员会委员，安徽省高校拔尖人才，安徽省科研创新团队负责人。研究方向：新型功能材料合成与能源存储与转换器件，光增材3D制造技术领域的研究工作，主要聚焦于原位测试、特殊条件下（如低温、高温、高压等环境）测试和机理研究。近年来，以第一/通讯作者身份在ACS Nano、Chem. Commun.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale等学术期刊发表研究论文50余篇。

孙自许 教授简介：目前担任河南大学教授和硕士生导师。入选河南省百人计划。主要从事电化学储能材料与器件等方面的研究，集中在锂硫电池，包括液态、低温、全固态锂硫电池，以及部分电催化工作。具有扎实的相关领域的研究基础，并取得了较为突出的研究成果。迄今共发表SCI期刊论文66篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.（2篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Funct. Mater.（3篇）、Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B（2篇）和Carbon Energy（2篇）等国际学术期刊上发表SCI论文32篇。担任中科院一区期刊Carbon Energy和Rare Metals 青年编委。

刘书德 研究员简介：东华大学特聘研究员，博士生导师。入选上海市海外高层次青年人才项目。研究集中于电极材料晶体结构、缺陷化学和结构限域对界面化学的影响，及其在柔性储能等相关应用领域的研究。迄今共发表SCI期刊论文66篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Energy Lett.（2篇）、Adv. Energy Mater.（3篇）、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Energy Storage Mater.（3篇）Adv. Sci.、Appl. Catal. B（2篇）、Chem. Sci.、 J. Mater. Chem. A（8篇）和Small（8篇）等国际学术期刊上发表SCI论文51篇（入选ESI高被引论文11篇），论文累计总被引5000余次，H-index=34。受Wiley出版社邀请共同撰写英文专著章节1部。

高国梁 博士简介：宿州学院机械与电子工程学院讲师。主要研究方向为电解水及小分子氧化催化材料。

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