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質子交換膜水電解槽(PEMWE)能夠驅動酸性介質中的水分解，因此被視為未來綠色氫經濟發展的重要設備。PEM電解槽中涉及四電子/四質子轉移的OER動力學緩慢，通常需要應用大的過電位來驅動水分解，其限制了PEM電解槽的總體能量利用效率。RuO₂是酸性OER基準電催化劑，該催化劑的高OER活性與其在氧化中間體連續吸附/解吸過程中對氧化還原態的有效調控有關。

然而，在OER反應過程中，Ru原子會發生氧化產生水溶性RuO₄^2-物種，導致電催化劑的穩定性差和性能損失。因此，這促使人們尋找合理的方法來改進Ru基電催化劑用于高效和穩定催化酸性OER，但這仍是一個巨大的挑戰。

近日，鄭州大學盧思宇課題組成功構建了一種新型OER電催化劑，該催化劑由Co₃O₄載體和周期性排列的Ru原子陣列組成(Ru array-Co₃O₄)。原位光譜表征和理論計算表明，在組裝的Ru原子陣列上形成關鍵Ru-O*-O*-Ru中間體是熱力學有利的，優化的電子環境通過OPM促進O₂的析出，而不是通過傳統的AEM產生OOH*物種。

通過這種方法，避免了OER期間的標度關系限制，提高了OER活性。具體而言，與RuO₂相比，Ru陣列Co₃O₄具有較短的Ru-Ru和較長的Ru-O鍵，這有利于通過橋聯Ru-O*-O*-Ru中間體進行O*偶聯形成O₂；此外，Ru原子陣列中Ru 4d-O 2p雜化減少，Ru-O共價性減弱，從而抑制了OER過程中晶格氧的參與，因此，在工作條件下氧空位的產生和Ru物種的溶解都受到抑制，極大地提高了電催化劑的穩定性。

性能測試結果顯示，在酸性條件下，Ru array-Co₃O₄催化劑達到10 mA cm^-2電流密度所需的過電位僅為160 mV，并且在該電流密度下的TOF為7.7 s^-1。更重要的是，Ru array-Co₃O₄在連續運行1500小時內的降解速率為0.07 mV h^-1，電解質中Ru溶解度為0.066 μmol L^-1，優于大多數文獻報道的酸性OER電催化劑。

此外，將Ru array-Co₃O₄擴展到PEMWE時，僅需1.63 V的電壓就能產生10 mA cm^-2的電流密度，并且在100小時測試期間沒有發生顯著的活性衰減?？偟膩碚f，該項工作揭示了Ru array-Co₃O₄在酸性介質催化OER的機制，為設計或是改性酸性OER電催化劑提供了理論指導。

Oxygen radical coupling on short-range ordered Ru atom arrays enables exceptional activity and stability for acidic water oxidation. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c13248

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