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钌（Ru）基酸性析氧（OER）电催化剂稳定性差，阻碍了其在聚合物电解质膜电解槽（PEMWEs）中的应用。以偏差影响为中心的对性能退化的传统理解无法描述稳定性趋势，需要深入研究失活的根本原因。基于此，中科院长春应用化学研究所葛君杰研究员、邢巍研究员和王颖副研究员（共同通讯作者）等人报道了反应途径（包括催化机理和中间体结合强度）对Ru基催化剂操作稳定性的决定性作用。以MRuOx（M=Ce4+、Sn4+、Ru4+、Cr4+）固溶体为结构模型，通过控制Ru电荷来确定反应路径，从而确定反应稳定性。其中，筛选出SnRuOx催化剂在1.48 V下表现出2360 A gRu−1的高本征活性，TOF为AEM机制下的最高值，为0.63 s−1。此外，该催化剂表现出目前最好的运行稳定性，在100 mA cm−2下，在41.65 μgcat cm−2的低催化剂负载下，250 h的过电位仅增加了26.8 mV。在PEM电解槽中，在1 A cm−2的1300 h耐久性测试中，降解速率仅为53 μV h−1，将Ru基催化剂的寿命提高了几个数量级。作者对基于RuO2(110)构建Ru-O-M基元的M0.5Ru0.5O2仿真模型进行了DFT计算。通过计算Ru-O-M中Ru的电荷发现，随着M4+的电负性从1.608（Ce4+）增加到1.861（Cr4+），Ru的电荷从1.49（Ce0.5Ru0.5O2）增加到1.57 （Cr0.5Ru0.5O2）。作者还评估了在Ru位点的AEM和LOM反应路径中，理论OER活性对Ru电荷的依赖性，因为M（M=Ce、Sn、Cr）位点在两种反应路径下都具有极差的活性。此外，作者还计算了M0.5Ru0.5O2的理论OER过电位，Sn0.5Ru0.5O2样品具有中等Ru电荷，代表了最低的理论OER过电位。对于低（Ce0.5Ru0.5O2）和高Ru（RuO2和Cr0.5Ru0.5O2）电荷的样品，观察到OER过电位的增加。随着Ru电荷的增加，M0.5Ru0.5O2的电位决定步骤（PDS）从OH*/O*转变为O*/OOH*，这是Ru-O*结合的加强。因此，Ru位点电荷可以用于指示AEM反应活性。Customized reaction route for ruthenium oxide towards stabilized water oxidation in high-performance PEM electrolyzers. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-36380-9.https://doi.org/10.1038/s41467-023-36380-9.【做计算 找华算】华算科技提供专业DFT代算服务、正版商业软件版权、全职海归计算团队，10000+成功案例！计算内容涉及材料结构、掺杂、缺陷、表面能、吸附能、能带、PDOS、反应路径、OER、HER、ORR、自由能台阶图、火山理论、d带中心、电位、容量、电导率、离子扩散、过渡态+AIMD、HOMO/LUMO、电池材料、电解液、异质结、半导体等。
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