青岛大学白树行教授团队 Precision Chemistry | 通过Mo掺杂RuO₂突破酸性析氧反应中的活性与稳定性权衡

传统化石燃料的过度开发和使用，导致全球能源危机与环境污染问题日益加剧，开发清洁、可持续的能源系统刻不容缓。氢气（H₂）因其能量密度高、燃烧产物零污染，被认为是极具潜力的下一代能源载体。在多种制氢技术中，利用可再生电力驱动的水（H₂O）电解是一种生产清洁氢燃料的理想途径。然而，目前大多数的析氧反应电催化剂在碱性水电解中表现优异的性能，但在质子交换膜水电解的强酸、高氧化性环境中容易发生严重溶解，稳定性大幅下降。因此，开发兼具高活性与高稳定性的酸性OER催化剂，仍是一项重大挑战。

近日，青岛大学白树行教授团队在Precision Chemistry上发表研究，通过钼掺杂RuO₂实现了酸性OER中活性与稳定性之间的权衡突破。该研究将钼（Mo）引入RuO₂晶格，利用Mo的多种氧化态共存有效稳定了晶体结构，并通过电子调控抑制了Ru的氧化和溶解。同时，引入的Mo–O物种促进了反应动力学中的质子耦合电子转移过程。Mo的多氧化态与其亲氧特性之间的协同作用，显著提升了钌基催化剂在酸性OER中的综合性能。

图1. 合成图以及结构表征。Ru₁Mo₁-O/C的（a）合成示意图，（b）XRD，（c）TEM，（d）HRTEM，（e）HAADF-STEM和相应的EDS。

图2. 氧化还原性能和表面分析。（a）Ru₁Mo₁/C的热重分析和差示扫描量热法。Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C的（b）H₂-TPR曲线，（c）Ru3p XPS。（d）Ru₁Mo₁-O/C的Mo3d XPS。

图3. 酸性OER活性。Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C、Mo-O/C和商业RuO₂在0.5 M H₂SO₄中（a）LSV，（b）Tafel斜率。（c）Ru₁Mo₁-O/C和已报道的催化剂在0.5 M H₂SO₄中的𝜂 ₁₀和Tafel斜率比较。（d）Ru₁Mo₁-O/C在0.5 M H₂SO₄/H₂O和H₂SO₄/D₂O中的LSV，（e）Tafel斜率-电流密度曲线的对数。（f）Ru-O/C在在0.5 M H₂SO₄/H₂O和H₂SO₄/D₂O中的LSV。（g）Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C在H₂SO₄/D₂O中的Tafel斜率。(h) 0.5 M H₂SO₄中H/D同位素取代前后Ru₁Mo₁-O/C和Ru-O/C的Tafel斜率比较。

图4. 酸性OER稳定性。（a）Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C 的稳定性。（b）Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C、Mo-O/C和商业RuO₂在0.5 M H₂SO₄的主要性能指标。（c） Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C的失活速率比较。（d）反应后Ru₁Mo₁-O/C的XRD。反应前后Ru₁Mo₁-O/C的（e）Ru3p XPS，（f）Mo3d XPS。0.01 M（TMA）₂SO₄前后Ru₁Mo₁-O/C、Ru-O/C 的（g）LSV,（h）Tafel斜率。

在这项工作中，我们研究了一种通过Mo掺杂抑制Ru过氧化的高效催化剂。Mo的引入使RuO₂在酸性OER中的反应机制从涉及晶格氧并导致结构破坏的LOM机制，转变为不涉及晶格氧损失的OPM机制，这一转变有效抑制了Ru的过度氧化，同时保持了高催化活性，显著提升了催化剂的结构稳定性和整体性能。优化后的Ru₁Mo₁-O/C催化剂在10 mA·cm^-2的电流密度下过电位仅为167 mV，Tafel斜率为57.7 mV·dec^-1，在0.5 M H₂SO₄溶液中可稳定运行超过255小时。这种高性能与低成本兼顾的特点，使得钌基催化剂——尤其是我们提出的高性能Ru₁Mo₁-O/C——成为一种极具前景且经济可行的替代品，有望在未来大规模、低成本酸性电解水中取代传统的铱基催化剂。

白树行 教授

白树行，男，博士，青岛大学教授，博士生导师。研究方向：贵金属催化剂设计合成及其在可持续能源转化中的应用，在贵金属结构设计、晶相与界面控制，及其小分子催化转化领域展开系统研究。在国际学术期刊发表论文50余篇，以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Nat. Commun.、Adv. Mater.（3篇）、Nano Lett.、ACS Catal.（2篇）、Nano Energy（2篇）、J. Catal.、Small Methods等期刊发表论文30余篇，其中高被引论文3篇，封面论文2篇；主持国家自然科学基金面上项目（2025年立项）、青年基金（2021年立项）和山东省自然科学基金青年基金（2021年立项）等多个项目。

郭铭瑞 副教授

郭铭瑞，女，博士，青岛大学副教授，硕士生导师。中共党员，研究方向：1）电化学水分解催化剂的制备与性能研究；2）储能材料的开发与应用；3）有机物电氧化催化剂制备及性能研究；主持国家自然科学青年基金(2021年立项)、山东省自然科学基金(2021年立项)、横向课题（2022年立项）等多个项目。