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东北师大JACS: 尖晶石八面体-四面体协同作用，提高酸性OER稳定性

微算云平台 · 公众号 · · 2025-03-20 07:06

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质子交换膜电解(PEMWE)技术为生产高纯度氢提供了一条有前途的途径。然而，阳极析氧反应(OER)主要依赖于Ir基材料，这对于商业应用来说成本过高。 Ru基催化剂被认为是PEMWE最有前途的OER替代品，因为它们比Ir更便宜。

虽然Ru基催化剂对OER表现出显著的活性，但它们在酸性条件下的长期稳定性并不理想。这是因为，在酸性和氧化条件下，Ru容易过氧化，形成高价Ru ⁿ⁺ (n>4)物种(如RuO ₄ 或可溶性RuO ₅ ^2- )，导致催化剂失活。

例如，基准RuO ₂ 催化剂的OER起始电位与Ru的溶解起始电位一致，后者触发晶格氧参与O ₂ 分子的形成，导致结构崩溃；另一个原因是表面Ru的直接溶解，导致催化剂晶体结构的崩解。因此，持久性Ru基催化剂的设计原则应着重于在酸性OER条件下稳定晶格氧和表面Ru物种。

近日， 东北师范大学常进法 、 邢子豪 和 美国中佛罗里达大学杨阳 等开发了一种用于酸性水电解的Ru基催化剂的设计原理，即在尖晶石Co ₃ O ₄ 中掺入双阳离子(Ru和Ni) (NiRuCoO _x )，以提高催化剂的活性和稳定性。具体而言，对于金属和氧的相互作用，研究人员假设八面体中心可能表现出强的σ-σ相互作用，而四面体中心表现出相对弱的π-π相互作用。

基于这一假设，选择Ru ³⁺ 占据尖晶石Co ₃ O ₄ 的八面体位点来提高酸性OER，选择Ni ²⁺ 作为尖晶石Co ₃ O ₄ 的四面体中心来稳定催化剂中的晶格氧和表面Ru物种。此外，Ni与Co具有相似的尺寸，可以进一步提高氧化物的电子导电性：它可以通过d电子离域诱导部分占据d轨道而被引入晶格中，从而桥接禁带。

东北师大JACS: 尖晶石八面体-四面体协同作用，提高酸性OER稳定性

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