電解水制氫是制備可再生能源中最有前景和最具挑戰性的技術之一。電解水制氫技術包括陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)。對于HER而言，Pt和基于Pt的化合物是最好的電催化劑，但存在成本高和在堿性介質中溶解嚴重的問題。至于OER，盡管許多非貴金屬基電催化劑在電解水方面得到了深入的研究，但許多非貴金屬催化劑的OER性能仍然無法與貴金屬基催化劑相媲美。

更重要的是，非貴金屬基電催化劑在酸性陽極氧化條件下的抗溶性大大降低，導致其穩定性較差。因此，制備在惡劣的酸性條件下依舊高效、穩定的全水解催化劑是非常必要的。此外，在較寬的pH范圍內均可使用的HER和OER催化劑也一直是研究的熱點，因為這可以降低成本且具有實際應用的可靠性。

基于此，揚州大學馮立綱、青島科技大學劉尚果和劉希恩(共同通訊)等人制備了一種釕鋅氧化物(Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ)催化劑，該催化劑在酸性和堿性環境下均實現了高效全水解。

本文采用三電極體系分別在酸性和堿性介質中研究了Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ和對比催化劑的OER性能。在0.5 M H₂SO₄溶液中，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在10和50 mA cm^-2的電流密度下的過電位僅為190和220 mV。相比之下，為了達到相同的電流密度，RuO_2-δ(240和320 mV)和商業RuO₂(270和337 mV)的過電位則較高。同樣，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在堿性介質中的性能也顯著優于RuO_2-δ和商業RuO₂。

具體而言，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在電流密度為10 mA cm^-2時的過電位為195 mV，Tafel斜率為54 mV dec^-1，均顯著低于RuO_2-δ(260 mV、62 mV dec^-1)和商業RuO₂(392 mV、340 mV dec^-1)。因此，這些結果可以說明，合成的Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在酸性和堿性電解質中均具有較好的OER活性。

令人驚奇的是，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在堿性和酸性介質中也表現出了優異的HER性能。Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在1.0 M KOH中，在10 mA cm^-2的電流密度下具有14 mV的超低過電位，遠小于RuO_2-δ(98 mV)、商業Pt/C(32 mV)和其他制備的氧化物催化劑。在酸性介質中，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ也不負眾望的具有33 mV過電位和86 mV dec^-1的低Tafel斜率。受Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ優異的活性的鼓舞，本文將Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ同時作為陽極和陰極電催化劑用于全水解。

值得注意的是，在1 M KOH中，在電流密度為10和50 mA cm^-2時，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ||Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ的電位分別為1.47和1.58 V。然而，為了達到相同的電流密度，RuO_2-δ||RuO_2-δ(1.54和1.79 V)和商業Pt/C||RuO₂(1.6和1.84 V)則需要更高的電位。

同樣，在0.5 M H₂SO₄中，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ||Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ在電流密度為10和50 mA cm^-2時所需的電位分別低至1.50和1.59 V，依舊遠小于RuO_2-δ||RuO_2-δ和商業Pt/C||RuO₂。總之，具有優異活性和穩定性的Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ||Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ超過了大多數報道的催化劑，可以實現高效全水解。

綜上所述，本文通過簡單的熔鹽策略，合理設計并合成了具有金紅石結構的釕鋅氧化物(Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ)催化劑。Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ具有超微納米團簇，可以提供更多的活性位點。

更重要的是，在RuO₂晶體中加入Zn原子將極大地影響催化劑的電子結構和局域結構，進一步增強催化劑在酸性和堿性介質中的活性和全水解性能。結合密度泛函理論(DFT)計算可以得知，Zn和氧空位的引入可以優化RuO₂的電子結構，降低Ru的價態，通過形成穩定的Zn-O-Ru結構增強Ru-O鍵的穩定性，降低氧中間體的吸附能，從而顯著提高催化劑的穩定性和OER活性。

還值得注意的是，Ru_0.85Zn_0.15O_2-δ的表面結構畸變還可以活化Ru活性位點附近的懸浮O原子作為質子受體，使H₂O^*中的H原子牢固地結合在一起，穩定H₂O，這也大大增強了催化劑的HER活性。總之，本研究為開發新型、先進的全水解電催化劑提供了重要的啟示。

Electronic and Lattice Engineering of Ruthenium Oxide towards Highly Active and Stable Water Splitting, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202300177.

https://doi.org/10.1002/aenm.202300177.