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電化學水分解制氫可以緩解過度使用礦物燃料造成的環境和能源問題。然而，由于涉及多個氧中間體的析氧反應(OER)動力學緩慢，其效率受到陽極OER的限制。此外，許多基于過渡金屬的OER催化劑在堿性電解質中表現出優異的催化性能，但其中很少能在酸性溶液中有效工作。

因此，設計并制備在酸性條件下具有高OER催化活性和穩定性的電催化劑的將有利于推動酸性電解水析氫的發展。

基于此，西安交通大學楊生春和王斌等基于d帶中心理論，設計了一種新型的Nd摻雜RuO₂催化劑(Nd_0.1RuO_x)，作為一種高效的酸性OER電催化劑。

電化學性能測試結果顯示，在0.5 M H₂SO₄溶液中，最優的Nd_0.1RuO_x/CC電極對OER表現出優異的電催化性能，其在10 mA cm^?2電流密度下的過電位為211 mV，Tafel斜率為50 mV dec^?1。

此外，通過外推Tafel曲線計算了所制備催化劑的交換電流密度(j₀)。Nd_0.1RuO_x/CC的j₀為0.15 mA cm^?2，大于RuO₂/CC(0.001 mA cm^?2)和商業RuO₂(0.018 mA cm^?2)，表明其較高的內在活性。

實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明，Nd的引入可以適度降低Nd_0.1RuO_x中Ru的d帶中心，從而平衡了氧中間體的吸附和解吸。

此外，Nd摻雜后，O 2p能帶中心下移，表明Nd_0.1RuO_x中Ru-O的共價性較弱，O 2p上的直接O-O耦合在熱力學上是不利的。同時，在酸性電解質中，與常規RuO₂相比，Nd_0.1RuO_x中Ru⁴⁺的高比例顯著地抑制了Ru的溶解，提高了Nd_0.1RuO_x的穩定性。

綜上，該項工作不僅開發了一種高效、穩定的OER電催化劑以推動質子交換膜電解槽的工業化生產，而且通過對RuO₂電子結構的工程化設計，為催化劑的設計提供了參考。

Optimizing the Electronic Structure of Ruthenium Oxide by Neodymium Doping for Enhanced Acidic Oxygen Evolution Catalysis. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202213304

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