近日，中國科學院大連化學物理研究所催化國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F隊與理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團隊合作，在電催化水氧化催化劑設(shè)計和機理解析研究方面取得新進展。合作團隊發(fā)展了Rh摻雜和RuO2表面氧空位的協(xié)同新策略，實現(xiàn)酸性水氧化過程的高效穩(wěn)定催化轉(zhuǎn)化，并揭示了晶格氧介導—氧空位反應(yīng)機制（LOM-OVSM）。
電催化析氧反應(yīng)（OER）作為水分解過程的關(guān)鍵半反應(yīng)，在質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)中具有重要作用。目前，酸性水氧化面臨的挑戰(zhàn)是催化劑（RuO2、IrO2）催化活性和穩(wěn)定性的平衡，以及催化機理吸附演化機制（AEM）的理論熱力學活性限制和晶格氧介導機制（LOM）活性中心金屬過度氧化導致較低耐溶解性。
大連化物所揭示酸性水氧化晶格氧介導—氧空位反應(yīng)新機制
本工作中，研究團隊以RuO2催化劑為研究對象，提出了Rh摻雜和RuO2表面氧空位的協(xié)同策略構(gòu)建Ru-O-Rh活性位點，同時優(yōu)化了本征活性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了在10 mA cm-2電流密度時的過電位為161 mV，在50 mA cm-2電流密度運行工作700 h后仍能保持99.2%的電化學活性。此外，研究團隊進一步通過準原位/原位表征證明了可逆氧物種的循環(huán)過程，以實現(xiàn)增強的活性和穩(wěn)定性。理論計算研究基于Rh-RuO2催化模型篩選吸附演化機制（AEM）、晶格氧介導—氧空位機制（LOM-OVSM），以及晶格氧介導—單金屬位點機制（LOM-SMSM）催化過程，揭示了富含氧空位的Ru-O-Rh位點誘導LOM-OVSM最優(yōu)反應(yīng)路徑，打破了傳統(tǒng)AEM的熱力學能壘限制。該工作揭示了電化學酸性水氧化的晶格氧介導—氧空位機制，為設(shè)計高性能酸性O(shè)ER催化劑和深入的機理分析提供新的思路，并為質(zhì)子交換膜電解水制氫的實際應(yīng)用提供參考。
相關(guān)研究成果以“Unraveling oxygen vacancy site mechanism of Rh-doped RuO2 catalyst for long-lasting acidic water oxidation”為題，于近日發(fā)表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生王一和聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生楊榮。以上工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、榆林創(chuàng)新院人工智能科技專項、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項目的資助。
