都是首篇！2025年四川大学连发Nature及Science

iNature · 公众号 · · 2025-01-03 09:02

正文

iNature

工业上（在质子交换膜水电解槽中）用于析氧反应的氧化铱（IrO ₂ ）催化剂稀缺且价格昂贵。 虽然氧化钌（Ru O ₂ ）是一种很有前途的替代品，但其稳定性差阻碍了实际应用。

2025年1月2日，四川大学康毅进及加州理工学院William Andrew Goddard III共同通讯在 Science 在线发表题为“ Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis ”的研究论文，该研究 使用定义良好的扩展表面模型来确定Ru O ₂ 经历导致Ru溶解的结构依赖腐蚀。

钽（Ta）的掺入有效地稳定了Ru O ₂ ，增强了Ru O ₂ 的固有活性。在工业演示中，Ta-Ru O ₂ 电催化剂表现出接近Ir O ₂ 的稳定性，在2800小时的测试中，性能衰减率为~14微伏/小时。 在电流密度为每平方厘米1安培时，它的过电位比Ir O ₂ 小330毫伏。

另外， 2025年1月1日，四川大学古丽、朱亚辉及加州大学圣地亚哥分校Michael Karin共同通讯在 Nature 在线发表题为“ FBP1 controls liver cancer evolution from senescent MASH hepatocytes ”的研究论文，该研究发现糖异生酶果糖-1,6-二磷酸酶1 （FBP1）是p53的靶标，在衰老样MASH肝细胞中升高，但在大多数人类HCC中通过启动子超甲基化和蛋白酶体降解抑制。 FBP1首先在代谢应激的癌前疾病相关肝细胞和HCC祖细胞中下降，与AKT和NRF2的致瘤活性相似。通过加速FBP1和p53的降解，AKT和NRF2增强了先前衰老的HCC祖细胞的增殖和代谢活性。逆转衰老和支持增殖的NRF2-FBP1-AKT-p53代谢开关在小鼠和人类中起作用，也促进了DNA损伤诱导的体细胞突变的积累，这是MASH向HCC进展所必需的（点击阅读）。

可再生能源驱动的水电解是绿色制氢的重要途径。 不幸的是，析氧反应（OER）动力学缓慢、效率低、能耗过高，使OER成为高效水电解的瓶颈。质子交换膜水电解（PEM-WE）因其高电流密度（因此产氢率高）而成为所有水电解技术中最具吸引力的技术。高纯度，高压的氢气输出和快速响应，可与可再生能源耦合。 然而，OER电催化剂的恶劣工作环境（高酸度和高电位）对 PEM-WE 的化学稳定性提出了严格的要求。

虽然已经发现了许多新的OER电催化剂，但 PEM-WE 工业仍然主要使用第一代氧化铱（IrO ₂ ），由于Ir的极度稀缺和高成本，其大规模应用受到限制。此外，尽管Ir O ₂ 的稳定性满足了目前的工业要求，但Ir O ₂ OER电催化剂的活性必须得到显著提高，才能实现有竞争力的制氢。

氧化钌（Ru O ₂ ）是OER催化剂的第二有吸引力的选择，与Ir相比，它具有相对较高的储量和较低的成本，以及较高的活性。然而，Ru O ₂ 的稳定性差阻碍了它的实际应用。在正常电解条件下，Ru O ₂ 电催化剂的Ru溶解法拉第效率为~0.1%，比Ir O ₂ 催化剂的Ir溶解法拉第效率提高了至少两个数量级。

Ta修饰RuO ₂ 表面的研究（图源自 Science ）

为了提高Ru O ₂ 的性能，寻找新的改性材料，扩展活性和稳定性的结构，并建立反应机理是至关重要的。 例如，许多研究表明，晶格氧交换参与了OER过程，并负责Ru O ₂ 催化剂的溶解，而其他人则声称没有观察到晶格氧交换。将五氧化二钽（Ta ₂ O ₅ ）和 Ru O ₂ （或Ir O ₂ ）混合可以略微提高稳定性，但这种方法尚未进一步探索。

该研究探索了具有选定晶体取向的Ru O ₂ 的明确扩展表面，以研究OER中的结构-性能相关性。 该研究发现结构依赖的腐蚀是造成低稳定性和低活性的原因。然而，该研究发现在Ru O ₂ 中掺入Ta既增强了Ru O ₂ 对OER的固有活性，抑制了Ru O ₂ 的腐蚀，同时也减轻了Ru在水电解中的溶解，显著提高了电催化剂的稳定性。

为了理解Ta如何提高性能和稳定性的原子起源，该研究进行了大规范量子力学（GCQM）计算，将机制和稳定性描述为应用势的函数。基于从这些QM和Ru O ₂ 扩展表面的实验研究中获得的知识，研究人员合成了纳米颗粒Ta-Ru O ₂ 电催化剂，并在工业规模的膜电极组件（MEA）中展示了性能。 此外，一个完整的工业示范展示了太阳能以高达兆瓦的速率生产氢气，为一个加氢站提供燃料。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938

— END —

内容为 【iNature】 公众号原创，

转载请写明来源于 【iNature】

微信加群

都是首篇！2025年四川大学连发Nature及Science

正文

请到「今天看啥」查看全文