利用可再生電力進行電解水是一種有前途和可持續的生產清潔氫（H₂）燃料的途徑，目前占主導地位的堿性電解水技術面臨許多挑戰。利用基于聚合物的質子交換膜（PEM）進行高效的質子轉移可以有效地解決上述挑戰并顯著提高性能，但是缺乏活性、穩定性的酸性析氧反應（OER）催化劑是其中的阻礙。由于銥基電催化劑在酸性OER下具有良好的穩定性，目前仍是PEM電解水實用的陽極催化劑，但由于其成本高、儲量少而受到很大限制。

基于此，弗吉尼亞大學張森，匹茲堡大學王國峰和萊斯大學汪淏田（共同通訊）等人報道了一種非銥基催化劑（Ni-RuO₂），它是一種很有前途的替代催化劑，在酸性OER中具有高活性和穩定性，可用于PEM電解水。

通過在RuO₂納米晶體中摻入鎳（Ni）摻雜劑，能夠顯著提高RuO₂晶格的穩定性，以延長在酸性OER條件下的穩定性。Ni的加入對RuO₂的穩定性的影響是令人印象深刻的：雖然純RuO₂顯示出較差的OER穩定性（在旋轉圓盤電極（RDE）上，維持10 mA cm^-2的OER 電流密度時間小于40小時），摻雜Ni的RuO₂ (Ni-RuO₂)催化劑顯示出優異的穩定性，大于200小時沒有明顯的降解。更令人印象深刻的是，Ni-RuO₂催化劑與商業化的Pt/C析氫反應（HER）催化劑在實際的PEM電解槽中顯示出在200 mA cm^-2的電流密度下穩定的電解水大于1000小時，這表明它在實際的電解水應用中具有巨大的潛力。

密度泛函理論（DFT）研究和操作微分電化學質譜法（DEMS）分析證實了 RuO₂催化劑的吸附演化機制（AEM），并清楚地表明Ni摻雜可以提高表面Ru和次表面氧的晶格穩定性，這是提高其OER穩定性的原因。此外，Ni-RuO₂催化劑也表現出大大改善的活性，其需要214 mV的小過電位以提供10 mA cm^-2 OER 電流密度和在以2.10 V的電池電壓（沒有歐姆損耗補償或IR補償）在室溫下提供1.5-A cm^-2全解水電流。

本文的研究結果不僅為提高RuO₂催化劑的催化性能方面提供了一種有效的方法和新的認識，而且展示了其在實際應用中大規模清潔制備H₂的巨大潛力。雖然Ni-RuO₂催化劑的穩定性能與工業要求（在80 °C 下運行10年以上，提供大于1 A cm^-2的電流密度）之間仍然存在一定的差距，但是使用基于Ru的催化劑實現的這種令人鼓舞的里程碑式的穩定性清楚地表明了在未來取代銥基催化劑的潛力。為了進一步提高Ru基催化劑的穩定性，今后可以進行更多的研究，如溫度效應、多元素摻雜等。

Non-iridium-based electrocatalyst for durable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis, Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01380-5

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01380-5.