氢是一种能量密度高、零碳排放的清洁可再生能源，其高效制取对于在助力“双碳”目标实现至关主要。低温水电解槽技术因可与风能、太阳能等可再生发电技术联合来实现“绿氢”制备，于诸多制氢工艺中遭到高度器重。今朝制氢用电解槽重要以碱性电解槽及质子交流膜电解槽（PEMWE）为主。与贸易化成熟的碱性电解槽相比，PEMWE具备转化效率高、氢气纯度高及无污染等优点，被认为是最具生长潜力的制氢技术之一。然而，PEMWE的酸性及强氧化性介质对于催化质料提出了极其苛刻的要求，特别是阳极析氧反映（OER）电催化质料的活性及稳定性面对着巨年夜的挑战，这也致使今朝商用催化剂的选择规模十分有限，多局限在贵金属铱（Ir）基催化剂。是以，设计及开发高效稳定的非Ir基OER电催化剂对于PEMWE的现实运用至关主要。

近日，质料学院吕瑞涛课题组与深圳国际研究生院李佳课题组相助于非Ir基酸性OER电催化剂的研究中取患上主要进展。研究职员经由历程一步合成战略（图1），构建TiOx纳米棒负载的钌（Ru）纳米颗粒作为酸性OER电催化剂。该工艺无需特别的钛源、另有原剂及粘合剂，可以或许于TiOx中构建本征缺陷（x体现由氧空位孕育发生的非化学计量化合物），引诱增强的金属-载体相互作用稳定高活性Ru位点，从而极年夜晋升酸性水氧化的活性及稳定性，于PEMWE中实现高效、长寿运气行。该事情为设计稳定的纳米催化剂活性位点提供了新思绪。

图1.Ru/TiOx自支撑电极的合成及结构表征

OER电催化剂的设计及合成是开发高性能电解水装配的要害。数十年来，贵金属铱（Ir）基催化剂是今朝主流的PEMWE阳极贸易催化剂，但其广泛运用受限在其低质量活性及高成本。相较而言，钌（Ru）的价钱是Ir的1/6，而且具备更高的本征活性，是以Ru基催化剂被认为是均衡酸性OER催化剂成本及活性的更理想选择。但因为于酸性及氧化性前提下Ru易被太过氧化为高价Run+(n 4)质料（例如RuO4），不成防止地致使晶体结构坍塌及活性位点溶出，从而致使催化性能衰减。是以，于酸性OER历程中稳定Ru基活性位点至关主要，但极具挑战。

质料学院吕瑞涛课题组重要从事碳基低维质料缺陷设计和性能调控研究，偏重在晶格缺陷的可控修筑、原子级构型解析以和于清洁能源存储/转换、超敏捷份子探测等领域的运用。深圳国际研究生院李佳课题组于质料模仿与盘算领域有富厚的研究经验，偏重在低维能源质料模仿与器件设计等。近日，吕瑞涛课题组与李佳课题组相助，构建了具备原子级缺陷的非化学计量比Ru/TiOx电催化剂实现高效稳定酸性OER并深切展现了其构效瓜葛。研究发现Ru离子及Ti基底之间自觉的氧化另有原反映可以或许于TiO2纳米棒边缘原位引入氧空位缺陷，增强了金属-载体相互作用。是以，所制备的Ru/TiOx于酸性OER中体现出高活性及永劫间稳定性：到达10 mA cm-2的电流密度仅需要174 mV的过电位，可以或许于10 mA cm-2下稳定至少900小时（ 37天）（图2）。空位的引入极年夜晋升了Ru位点稳定性，使Ru/TiOx的寿命比化学计量比的Ru/TiO2延伸了10倍。将Ru/TiOx作为阳极质料组装的PEMWE于500 mA cm-2电流密度下可稳定事情200小时。

图2.Ru/TiOx于0.5 M H2SO4中的OER稳定性

联合试验表征（图3）及理论盘算（图4）证实了原位天生的非化学计量氧化物TiOx对于稳定Ru活性中央的要害作用。TiOx中的原子级氧空位缺陷一方面引诱Ru位点的电荷重新漫衍，制止Ru活性中央的太过氧化溶出；另外一方面经由历程增强金属-载体相互作用从结构上限域Ru纳米颗粒，制止其团圆掉活，从而突破了高活性及长寿命水氧化催化难以兼患上的瓶颈，对于在“绿氢”的高效制备具备主要意义。

图3.Ru/TiOx催化质料的电子结构表征

图4.Ru/TiOx的酸性OER催化机理分析

相干研究结果在11月23日以“非化学计量氧化物稳定非铱活性位点助力高活性酸性水氧化”（Stabilizing non-iridium active sites by non-stoichiometric oxide for acidic water oxidation at high current density）为题发表在《天然·通信》（Nature Co妹妹unications）上。

论文的第一作者为清华年夜学质料学院2020级博士生周灵犀及清华年夜学深圳国际研究生院博士后邵洋帆，通信作者为清华年夜学质料学院长聘教授吕瑞涛及清华年夜学深圳国际研究生院长聘副教授李佳。该研究获得清华年夜学-丰田氢能与燃料电池结合研究中央经费撑持。

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