南邮韩云虎团队Angew: 双功能锌调控稳定尖晶石氧化物上的钌簇，实现高效持久的酸性水氧化

邃瞳科学云

2025-12-02

导读：本研究开发了一种双功能锌调控策略，构建了一种Ru团簇/ZnCo₂O₄催化剂，该催化剂在酸性析氧反应中同时实现了低Ru负载量、优异的活性和创纪录的耐久性。

第一作者：Guanzhen Chen, Ziang Shang, Jie Zhang

通讯作者：Yunhu Han

通讯单位：南京邮电大学

论文DOI：10.1002/anie.202517073

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开发高活性、高耐久性的低钌（Ru）基阳极对于低成本质子交换膜水电解（PEMWE）系统至关重要，但仍是一项挑战。本文合成了一种负载于锌（Zn）掺杂钴氧化物尖晶石上的钌簇催化剂（Ru簇/ZnCo₂O₄）。其中，Zn原子的存在使载体（ZnCo₂O₄）从“脆弱结构”转变为“稳定基底”，并通过电子转移优化钌位点的电子环境，间接稳定钌活性中心，从而在酸性析氧反应（OER）中实现了高活性和稳定性之间的平衡。所制备的催化剂具有较低的过电位（200 mV），并且在10 mA cm^-2的电流密度下可稳定运行超过725小时（衰减率仅为0.143 mV h^-1）。一种采用Ru团簇/ZnCo₂O₄作为阳极的PEMWE器件在200 mA cm^-2电流密度下稳定运行超过275小时，展现出良好的应用前景。理论计算和实验表明，Zn原子能够同时调控载体的电子结构，赋予催化剂高活性和长寿命。该策略为酸性OER催化剂的开发提供了一种新的范式：利用惰性金属调控载体，在活性和稳定性方面实现双重突破。

背景介绍

开发具有高活性和耐久性的低钌负极材料是质子交换膜电解水（PEMWE）领域的一大挑战。为了应对低负载量下高活性和高耐久性的双重挑战，研究策略已从使用惰性载体发展到设计能够与活性Ru中心发生电子相互作用的“功能载体”。然而，同时实现载体的结构稳定和Ru的电子优化仍然是一个巨大的挑战。

本文亮点

1. Zn原子同时实现载体结构稳定性和Ru活性中心电子环境优化，突破活性-稳定性权衡瓶颈。

2. 低Ru负载量（5.07 wt%）下实现200 mV低过电位，优于商用RuO₂（248 mV）和多数报道催化剂。并作为PEMWE阳极可稳定运行275小时。

图文解析

图1. Ru_clusters/ZnCo₂O₄的合成与结构表征

图2. 电子结构与局部原子配位表征

图3. 电催化OER性能评估

图4. 反应机制理论研究

图5. PEMWE器件性能

总结与展望

本研究开发了一种双功能锌调控策略，构建了一种Ru团簇/ZnCo₂O₄催化剂，该催化剂在酸性析氧反应中同时实现了低Ru负载量、优异的活性和创纪录的耐久性。锌原子的引入将尖晶石载体从“脆弱结构”转变为“稳定基底”，并通过优化电子转移间接稳定了Ru活性中心。这种双重调控使得该催化剂在10 mA cm^-2电流密度下能够实现200 mV的超低过电位，并在酸性条件下保持超过725小时的稳定性（衰减速率：0.143 mV h^-1）。当集成到PEMWE器件中时，Ru团簇/ZnCo₂O₄阳极展现出良好的实际应用价值，在200 mA cm^-2电流密度下稳定运行超过275小时。实验和理论分析相结合证实，锌掺杂增强了结构的完整性，并创造了优化的电子环境，从而抑制了Ru的溶解。这项工作为酸性析氧反应催化剂设计建立了一种新范式：利用惰性金属来调节过渡金属氧化物载体，从而在活性和稳定性方面实现了双重突破，为下一代绿色氢气生产奠定了基础。