氢气作为重要的化工原料被大量应用于合成氨、合成甲醇、石油炼化和煤化工等行业，服务于国计民生；同时，因反应过程零碳排放，氢气被视为重要的零碳燃料，有望成为未来的能源载体。发展绿色、高效和可持续的制氢技术，是推动绿色化工发展，助力碳达峰和碳中和的重要途径。
质子交换膜电解水（PEM-WE）技术具有工作电流密度大（产氢速率高）、产氢纯度高(>99.99%)、高氢气输出压力和快速响应能力等特性，表现出对波动性可再生能源系统强大的适配性，是一种极具前景的可持续绿氢制备技术。但PEM-WE的阳极析氧反应 (OER) 较高的反应势垒和迟滞的动力学制约着整体电解水制氢效率。此外，电解过程中产生的大量H+在质子交换膜上形成局部酸性环境以及阳极的高氧化电位，严重影响阳极OER催化剂的稳定性。Ir基氧化物是当前最稳定的酸性OER催化剂，然而Ir资源的极度稀缺性和高昂的价格极大制约了此类催化剂的大规模应用。据报导，全球Ir金属年产量仅7吨左右，按当前商用膜电极Ir基催化剂载量计算，将Ir全部用于PEM-WE的情况下最大装机容量最高为15 GW/a，远不能满足绿氢生产的需求。鉴于此，开发兼具高活性与稳定性的非Ir阳极催化剂有助于推动PEM电解制氢技术更广阔的商业化应用。
Ru基氧化物因优异的析氧活性被视为另一类潜在的PEM电解水阳极催化剂，然而其稳定性相较于Ir基催化剂表现出明显劣势。理解RuO2结构失效机制为指导设计高稳定性RuO2催化剂提供了底层逻辑。当前针对Ru基氧化物的稳定性优化策略已被广泛报导，但围绕RuO2的结构失效机制仍未明晰，且常用的纳米颗粒催化体系中复杂的表面结构和晶面组成给原子层面研究催化剂失效机制带来了巨大挑战。
近日，四川大学化学工程学院康毅进教授团队联合加州理工学院William A. Goddard教授团队基于不同晶面取向的RuO2单晶薄膜模型催化剂，从原子尺度解析了RuO2催化剂表面溶出/重构过程，发现在OER条件下RuO2催化剂经高价Ru物种溶出同时伴随着亚纳米尺度RuO2团簇的表面剥离，进而引发RuO2催化剂表面重构，导致RuO2催化剂结构快速失效。模型实验和理论计算表明，引入Ta可有效抑制该失效过程。在此发现的基础上，设计制备了Ta0.1Ru0.9O2阳极催化剂，在工业电流密度1 A cm-2下，实现了2800小时稳定性。
基于单晶模型催化剂进行组分优化筛选，发现引入Ta可有效抑制Ru位点在OER过程中向不稳定高价态Ru中间体的转化，显著降低Ru位点的溶解并抑制催化剂表面发生的团簇脱出和表面重构。
图2. Ta-RuO2薄膜电化学性质及稳定性研究
理论计算表明，Ta在RuO2表面的掺杂有利于活性Ru位点上O-O耦合步骤的去质子化，降低该决速步反应势垒，从而提高催化剂活性；同时Ta的表面掺杂提高了Ru位点在OER过程中向不稳定高价Ru物种的转化势垒，从而抑制了RuO2表面向不稳定表面的重构。
图3. RuO2和Ta-RuO2不同晶面取向上OER计算模型
基于上述结论，制备了面向工业级PEM-WE制氢的阳极TaxRu1-xO2纳米催化剂，结合热压-转印的膜电极制备工艺及工业级电解池组装完成了从理论研究到工业应用的验证转化。在工业电流密度1 A cm-2下的稳定性测试中，TaxRu1-xO2阳极催化剂持续工作超过2800小时，而商业RuO2催化剂寿命在低电流密度0.2 A cm-2下仅运行数十小时。
图4. Ta0.1Ru0.9O2−x催化剂和工业级PEM电解制氢
单晶模型催化实验的发现为设计稳定Ru基OER催化剂提供了新的见解和指导，模型催化结合理论计算为稳定非Ir阳极催化剂尤其是Ru基催化剂的设计提供了方法论的参考，同时该研究成果极大拓展了Ru基PEM-WE制氢膜电极的应用前景，相关工作发表于Science，论文第一作者：张佳豪，付先彪博士和Soonho Kwon博士。
第一作者：张佳豪，四川大学化学工程学院在读博士研究生（导师：康毅进教授），硕士期间开始围绕PEM电解水制氢开展研究，主要研究课题为高稳定性阳极析氧催化剂设计及PEM膜电极制备。目前在国际期刊发表学术论文10篇，其中以第一作者 (含共一) 身份在Science和ACS Catalysis等期刊发表论文3篇。申请国家发明专利4项 (已获授权1项)。
第一作者：付先彪，新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授（课题组网站：https://www.xianbiaofugroup.com/），独立PI，博士生导师。2021年在电子科技大学获得博士学位（导师：康毅进教授），2017-2020年于美国西北大学和约翰斯·霍普金斯大学进行博士联合培养，2021-2024年在丹麦科技大学物理系开展博士后研究（合作导师：Ib Chorkendorff院士和Jens K. Nørskov院士），期间获得欧盟玛丽·居里学者项目资助。长期从事催化、电合成、能源化工和能源储存与转化研究，主要集中在电化学合成氨、氮气活化、氨能利用、电合成燃料、有机电化学合成和有机体系电催化。在国际期刊发表论文30余篇，其中以第一作者（含共一）在Science (2)、Nature Materials、Nature Energy、Nature Catalysis和Nature Communications等国际期刊发表学术论文18篇。引用次数超2800，H指数影响因子为21。入选2023年度《麻省理工科技评论》中国35岁以下科技创新35人（MIT TR35），曾获2024年Materials Today Catalysis期刊第一届新星奖、Carbon Future期刊青年研究者奖和2023年Nano Research期刊优秀编委奖。研究成果被麻省理工科技评论、美国科学促进会EurekAlert！和Phys.org等知名科技媒体报道。受邀在国际/国内知名学术会议作邀请报告10余次。曾主持欧盟玛丽·居里学者项目1项，申请国家发明专利4项(授权3项)、国际专利2项（授权1项）；担任Journal of Energy Chemistry和Nano Research等期刊青年编委，担任Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.和Energy Environ. Sci.等多个期刊审稿人。2016年创建“催化开天地”公众号并担任主编（每日阅读量超1万次）。
第一作者：Soonho Kwon，加州理工学院科学研究员（Scientific Researcher）。
通讯作者：康毅进，四川大学化学工程学院研究员（教授）、国家级青年人才、四川省高层次人才、四川省产业教授。宾夕法尼亚大学博士（导师Christopher Murray），阿贡国家实验室博士后（合作导师：Vojislav Stamenkovic、Nenad Markovi）。曾任美国西北大学访问教授、美国伊利诺伊大学芝加哥分校客座教授（PI），东方电气集团电解水制氢首席顾问科学家，科技部氢能评审专家。研究工作主要着重于能源转化与存储应用中的化学和材料科学，特别注重氢能体系下的化工过程。康毅进教授目前已在Science、Nature Catalysis、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等顶级期刊发表发表论文70 余篇, 论文总引用次数超14000 次，h-index 46，拥有多项中国专利和美国专利，参与编写了《应用电化学百科全书》（Springer 出版）和《英国皇家化学会催化系列丛书》。康毅进教授目前已获多项催化剂发明专利授权，并成立了相关科技公司，专注于制氢技术的产业转化。
通讯作者：William A. Goddard III，加州理工学院化学与化工系、应用物理系、材料科学系Charles & Mary Ferkel教授，材料与过程模拟中心（MSC）主任，美国科学院院士、美国艺术与科学院院士、美国物理学会会士、美国科学促进会会士、英国皇家化学学会会士。在理论化学和多尺度模拟方面的研究工作获得了国际广泛认可，荣获了包括费曼纳米技术理论奖、美国化学会理论化学奖和国际催化协会杰出科学贡献奖等。 Goddard教授已在Science、Nature、Nature Catalysis、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表论文多篇，总引用近20万次，H因子196，多次入选全球高被引科学家。
Jiahao Zhang†, Xianbiao Fu†, Soonho Kwon†, Kaifeng Chen, Xiaozhi Liu, Jin Yang, Haoran Sun, Yanchang Wang, Tomoki Uchiyama, Yoshiharu Uchimoto, Shaofeng Li, Yan Li, Xiaolong Fan, Gong Chen, Fanjie Xia, Jinsong Wu, Yanbo Li, Qin Yue, Liang Qiao, Dong Su, Hua Zhou, William A. Goddard III*, Yijin Kang*, Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis, Science, 2025.
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938
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