第一作者：刘庆勋，李冰
通讯作者：赵伯特教授
通讯单位：华南理工大学
论文DOI：10.1002/aenm.202501404
近日，华南理工大学赵伯特教授团队在Advanced Energy Materials上发表了题为“Tailoring Pyrochlore Electrocatalyst via Bias-Induced Enhancement for Acidic Oxygen Evolution”的相关成果。研究结果显示，通过可控的施加负偏压即可诱导烧绿石Y2Ru2O7产生氧空位，实现了酸性析氧反应（OER）性能的显著提升。理论计算结果证明，这些氧空位可调控Ru-O键内的电荷转移，缩短了相邻O物种间的距离，并促进O-*O耦合，有利于实现从吸附物演化机制（AEM）向氧化物路径机制（OPM）的转变，大幅提升了本征活性。为了稳定动态产生的富含氧空位的结构，通过Na掺杂进一步增强了催化剂的长期稳定性。
在全球能源体系向“零碳”转型的过程中，绿色氢能被视为最具潜力的清洁能源载体之一。质子交换膜电解水由于具有电流密度高、氢气纯度高、结构紧凑等优点，有望成为面向大规模制氢的核心技术路线。然而，阳极OER催化剂面临强酸、强氧化电位、动力学缓慢等多种挑战。目前商用催化剂多为Ir基材料，成本高昂；Ru基材料虽具潜力，但在酸性环境中易溶解失活。烧绿石氧化物因其结构可调、稳定性好而成为研究热点。但其催化活性受到高温烧结团聚、传统AEM机制等限制，如何有效提升烧绿石的OER性能仍具挑战。
亮点一：采用可控的电偏压诱导动态产生氧空位，引起结构表面微调从而提升OER活性。
亮点二：理论计算显示氧空位可促使反应机制从AEM转向更高效的OPM路径。
亮点三：通过引入Na稳定了结构中氧空位，增强了其在长期OER过程中抗氧化能力，保持了结构优越性。
亮点四：优化合成工艺将烧绿石合成温度从1000°C降至700°C，同时控制颗粒尺寸。
图1：Y2Ru2O7的模型图及其在不同温度下煅烧的表征
通过优化合成策略，材料在较低的温度下即可烧结为烧绿石成相，通过电镜观察到烧绿石烧结团聚问题明显改善，粒径显著减小，有利于催化活性的增加。
图2：Y2Ru2O7电还原前后的结构表征
通过表征，有力证明了电还原后诱导了Y2Ru2O7表面氧空位的产生，且产生了一定晶格膨胀，但整体仍然保持了烧绿石的结构稳定性。
图3：Y2Ru2O7的电还原策略优化及OER性能
通过研究不同的电还原电位对OER性能的影响，确立了最佳电还原电位，其催化活性、反应动力学、本征活性等特性得到显著提升。r-YRO在酸性OER中表现出更低的过电位（234 mV）和塔菲尔斜率（33 mV/dec）。
图4：结合理论计算深入研究Y2Ru2O7引入氧空位前后的反应机理
通过DFT计算系统地研究了Y2Ru2O7中氧空位在不同反应机制的影响，发现OPM机理所需能垒最小。主要源于氧空位的存在促进了Fermi能级附近的Ru 4d和O 2p电子态密度更高的重叠程度，削弱了Ru–O键，这使得相邻的*O与*O更容易相互接近并成键。因此，通过电还原诱导的含氧空位的Y2Ru2O7结构在OER过程中更容易进行OPM反应路径。
图5：引入Na后的Y1.85Na0.15Ru2O7的OER性能及比较
引入Na后的Y1.85Na0.15Ru2O7的性能及稳定性得到进一步增加，Na掺杂后的r-YNRO进一步将过电位降至220 mV，并实现250小时稳定运行。主要源于Na的引入稳定了电还原诱导的氧空位，增强了在OER过程的耐氧化性，使其在长期运行中保持结构优越性和高催化活性。基于上述结构优势，Y1.85Na0.15Ru2O7在与钙钛矿、烧绿石和RuO2类催化剂的性能比较中展现了一定的优势。
本研究提出了一种偏压驱动氧空位的动态生成，成功构建了高效、稳定的酸性OER电催化剂。该策略不仅适用于YRO体系，也为其他金属氧化物催化剂的设计提供了新思路，推动绿色制氢技术的发展。
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