尖晶石Co3O4晶格限域非配位单原子钌实现高性能低成本质子交换膜电解水

研究人员开发了一种嵌入尖晶石Co3O4晶格的非配位单原子Ru催化剂，在PEM水电解中实现3.0 A cm?2@2.02 V的高活性与300小时稳定性，能量消耗低至46.1 kW h kg?1 H2，贵金属成本仅2.1 $ m?2，为替代Ir基催化剂提供新策略。

　　

钌（Ru）基催化剂作为铱（Ir）基材料的低成本高活性替代品，在质子交换膜（PEM）水电解的酸性氧析出反应（OER）中展现出潜力，但其在高电流密度下的稳定性较差限制了广泛应用。本研究成功开发出一种嵌入尖晶石Co₃O₄晶格的非配位单原子钌催化剂，在超低负载量13.8 μg_Ru cm^?2下实现了3.0 A cm^?2@2.02 V的高电流密度，并在0.7 A cm^?2下保持超过300小时的优异耐久性。值得注意的是，该催化剂实现了46.1 kW h kg^?1 H₂的低能耗和2.1 m^?2的超低贵金属成本，远超商业RuO₂（48.6kWhkg^?1H₂和2280m^?2）及大多数已报道的铱基催化剂。原位光谱和理论模拟表明，钌单原子与Co₃O₄之间强烈的电子金属-载体相互作用（EMSI）有效调控了钌的电子结构，同时激活相邻钴位点，降低了OER能垒从而提升活性。此外，EMSI赋予催化剂氧化还原可逆性和结构灵活性，缓解次表层氧流失，抑制钌和钴的过氧化与溶解，从而维持稳定性。该工作为设计先进钌基催化剂作为二氧化铱（IrO₂）的有前景替代品提供了创新策略。