陰離子交換膜(AEM)和質子交換膜(PEM)電解槽是實現水電解產氫的有效裝置，通常它們依靠鉑(Pt)基催化劑進行析氫反應(HER)。此外，PEM電解槽還需要耐腐蝕的銥(Ir)基材料來維持酸性條件下的析氧反應(OER)。

貴金屬的大量消耗導致了PEM的高昂成本，阻礙了其商業化應用。成本相對較低的Ru是Pt/Ir的有效替代品，并且Ru納米粒子在水分解中表現出獨特的HER和OER雙功能優勢。

然而，在HER中Ru對*H中間體表現出強的親和力，在OER過程中Ru容易形成可溶性Ruⁿ⁺物種(n>4)，因此提高Ru NPs在HER和OER中的活性和穩定性是一個挑戰。

在眾多的催化劑設計策略中，負載型催化劑由于載體和活性相之間的充分接觸可以構建合適的金屬-載體相互作用和穩定的界面來調節界面位點的配位構型和電子結構，從而優化活性中心的催化性能和穩定性。

基于此，南京航空航天大學彭生杰課題組通過合理的非化學計量工程設計，將金屬Ru錨定在一系列鈦氧化物(TiO、Ti₄O₇和TiO₂)上，并研究了其水分解活性和穩定性增強機制。

實驗結果表明，Ti₄O₇的非化學計量比設計有助于實現其與Ru的金屬-載體適當相互作用；Ru納米粒子通過穩定的Ti-O-Ru單元富集電子，抑制了LOM，加速了OER的去質子化。此外，Ti₄O₇與Ru之間的功函數適配使HER趨向于氫溢出機制，從而加快了反應動力學。

電化學性能測試結果顯示，在酸性條件下，Ru/Ti₄O₇催化劑在10 mA cm^?2電流密度處的HER和OER過電位分別為8 mV和150 mV，并且其能夠穩定運行長達500小時。以Ru/Ti₄O₇作為陰極和陽極組裝的水電解槽能夠在1.44 V的電壓下以10 mA cm^?2的電流密度驅動水分解，并且其在寬pH范圍內也表現出優異的水分解活性。

此外，與商業RuO₂??Pt/C相比，利用Ru/Ti₄O₇組裝的PEM器件具有更低的槽電壓和更高的穩定性，并且可在500 mA cm^?2下連續穩定運行200 h，表現出有良好的工業化應用前景。綜上，該項工作揭示了載體的合理設計對材料性能提升的重要性，為今后高效催化劑的合理構建開辟了新的途徑。

Constructing regulable supports via non-stoichiometric engineering to stabilize ruthenium nanoparticles for enhanced pH-universal water splitting. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46750-6