利用可再生電力進行水電解被認為是可持續生產綠色氫能的一條有前景的途徑。與傳統的堿性電解相比，質子交換膜水電解(PEMWE)具有動力學更快、操作電流密度更高(最大2-3 A cm^-2)和產生高純度氫氣(> 99.9999 vol%)等優點。然而，陽極析氧反應(OER)是一個四質子耦合電子轉移過程，其反應能壘高于析氫反應(HER)，限制了整體水分解反應的效率。此外，惡劣的酸性和強氧化操作條件會導致OER催化劑腐蝕失活，阻礙了PEMWE的廣泛應用。

更重要的是，在水分解裝置中使用豐富的天然海水作為電解質可以極大地節省產氫成本，但是由于OER和次氯酸鹽形成過程中氫氧化物的去除導致陽極表面酸度逐漸增加，使得開發高效穩定的OER電催化劑具有挑戰性。因此，合理設計和開發活性/穩定酸性OER催化劑性對于推動天然海水電解的發展具有重要意義。

近日，清華大學呂瑞濤和李佳等通過一步法將小尺寸Ru納米顆粒固定在泡沫鈦載體上原位生長的TiO_x納米棒上(Ru/TiO_x)，并將其作為在酸性介質中的穩定和有效的OER電極。通過應用這種高成本效益的方法，不需要額外的Ti源、還原劑和粘結劑，就能夠在TiO_x中構建本征缺陷，通過增強的金屬-載體相互作用穩定高活性的Ru位點。

實驗結果表明，Ru/TiO_x在酸性電解液中分別僅需174、209和265 mV的低過電位就可以達到10、100甚至500 mA cm^-2的高電流密度；更重要的是，Ru/TiO_x可直接應用于純天然海水的電解，僅需要320 mV的過電位就能達到100 mA cm^-2的高電流密度，顯示出其在實際海水分解應用中的巨大潛力。

光譜表征和理論計算表明，非化學計量比Ru/TiO_x中的氧缺陷誘導了Ru位點的結構限域和電荷積累，阻止Ru的團聚和過度氧化，增強了催化劑的穩定性；并且，在界面處的氧缺陷改變了材料的電子結構，導致Ru-O鍵更強，優化了關鍵中間體的結合能(*O→*OOH)，顯著提升了催化劑的活性。

綜上，該項工作提供了一個綜合的制備策略，以克服Ru基催化劑的活性/穩定性的限制，并且非化學計量比化合物誘導的電荷在金屬中心的重新分布可能為開發用于實際PEMWEs的催化劑提供理論指導。

Stabilizing non-iridium active sites by non-stoichiometric oxide for acidic water oxidation at high current density. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43466-x