四川大学，2025年首篇Science！

主要观点总结

本文研究了质子交换膜水电解槽中用于析氧反应的氧化铱（IrO2）催化剂的替代品，包括氧化钌（RuO2）。由于RuO2的稳定性问题，康毅进教授和William Andrew Goddard III教授合作研究其腐蚀机制，并通过钽（Ta）掺杂提高其稳定性。研究包括制备具有特定晶体取向的RuO2薄膜、表征结构、研究电化学活性位点与结构之间的关系以及应用示范。最终成功合成纳米颗粒钽-RuO2催化剂，并在工业规模的膜电极组件中展示性能。该研究成果为从太阳能生产氢气提供了新方法。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及现状

IrO2是工业上用于析氧反应的昂贵且稀缺的催化剂，RuO2是有前途的替代品，但其稳定性问题阻碍了实际应用。

关键观点2: 研究内容及方法

研究通过明确的扩展表面模型研究RuO2的结构相关腐蚀，发现钽掺杂能有效稳定RuO2对抗腐蚀并增强其本征活性。包括制备具有特定晶体取向的RuO2薄膜、表征结构、电化学活性位点研究等。

关键观点3: 研究成果

钽掺杂的RuO2表现出接近IrO2的稳定性，工业演示中性能衰减率低，且在工业相关的电流密度下表现出高活性。计算研究表明钽掺杂通过降低能垒促进质子转移和O–O键的形成，提高反应动力学。钽掺杂还提高了催化剂的耐久性。

关键观点4: 应用前景

该研究将实验室发现转化为工业应用，成功合成纳米颗粒钽-RuO2催化剂，并在工业规模的膜电极组件中展示性能。完整的工业演示展示了以高达兆瓦的速率从太阳能生产氢气，为加氢站提供燃料。

文章预览

工业上（质子交换膜水电解槽）使用的用于析氧反应的氧化铱（IrO 2 ）催化剂稀缺且昂贵。尽管氧化钌（RuO 2 ）是一种有前途的替代品，但其较差的稳定性阻碍了实际应用。 鉴于此， 四川大学 康毅进教授 与加州理工学院 William Andrew Goddard III教授 （88岁高龄）使用明确的扩展表面模型来识别RuO 2 经历结构相关的腐蚀，从而导致Ru溶解。 钽(Ta)掺杂有效地稳定了RuO 2 以抵抗这种腐蚀并增强了RuO 2 的本征活性 。在工业演示中， Ta-RuO 2 电催化剂表现出接近IrO 2 的稳定性，并且在2800小时的测试中性能衰减率为每小时约14微伏 。 在每平方厘米1安培的电流密度下，它的过电势比IrO 2 低330毫伏。 相关研究成果以题为“Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis”发表在最新一期《Science》上，第一作者为四川大学 Jiahao Zhang 、电子科技大学 ………………………………