第一作者：Lu Li，Gengwei Zhang

通訊作者：郭少軍

通訊單位：北京大學(xué)

郭少軍，北京大學(xué)博雅特聘教授、國(guó)家杰出青年基金獲得者、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士；吉林大學(xué)學(xué)士、中科院應(yīng)化所博士、布朗大學(xué)博士后、美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室奧本海默杰出學(xué)者。長(zhǎng)期致力于將國(guó)家重大需求與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，重點(diǎn)研究燃料電池、氫能與儲(chǔ)能電池。

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精確調(diào)節(jié)氧化釕（RuO_x）中的Ru-O共價(jià)性，以構(gòu)建高效且穩(wěn)定的酸性析氧反應(yīng)（OER）電催化劑，可有效的增強(qiáng)質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）的穩(wěn)定性。本文研究了通過精確調(diào)控RuO_x中Ru-O共價(jià)性以增強(qiáng)其在PEMWE中的穩(wěn)定性。

研究團(tuán)隊(duì)首次推斷出，引入電子構(gòu)型逐漸變化的鑭系元素（Ln）可以連續(xù)調(diào)節(jié)Ru-O共價(jià)性，這是由于5s/5p軌道的屏蔽效應(yīng)。密度泛函理論（DFT）計(jì)算，證實(shí)了Ln-RuO_x的耐久性隨著Ru-O共價(jià)性的變化呈現(xiàn)出火山趨勢(shì)。

在各種Ln-RuO_x中，Er-RuO_x為最佳催化劑，其穩(wěn)定性是RuO₂的35.5倍。特別是，基于Er-RuO_x的裝置僅需要1.837 V就能達(dá)到3 A cm^-2的電流密度，并在500 mA cm^-2的條件下表現(xiàn)出長(zhǎng)達(dá)100 h的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，降解速率僅為37 μV h^-1。

圖文導(dǎo)讀

圖1：DFT計(jì)算預(yù)測(cè)OER性能的定性分子軌道圖。

圖2：Er-RuO_x的原子級(jí)結(jié)構(gòu)表征，包括HAADF-STEM圖像、原子STEM圖像。

圖3：所制備催化劑的電催化性能，包括OER極化曲線、Tafel圖、CV循環(huán)前后的極化曲線。

圖4：Er-RuO_x和RuO₂的結(jié)構(gòu)表征，包括Ru K-edge XANES光譜、EXAFS光譜、原位拉曼光譜。

圖5：吸附行為分析，包括Ru d、O p和Er f軌道的PDOS計(jì)算。

總結(jié)展望

本研究通過引入鑭系元素精確調(diào)控Ru-O共價(jià)性，開發(fā)了具有高穩(wěn)定性的Er-RuO_x催化劑，顯著提高了PEMWE中OER的電催化性能。

該工作不僅為設(shè)計(jì)和優(yōu)化Ru基催化劑提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為實(shí)現(xiàn)綠色氫氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性鋪平了道路。未來工作將進(jìn)一步探索其他鑭系元素對(duì)Ru-O共價(jià)性的影響，并優(yōu)化合成方法以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Lanthanide-regulating Ru-O covalency optimizes acidic oxygen evolution electrocatalysis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49281-2