质子交换膜水电解槽(PEMWE)具有占地面积小、电流密度高、响应速度快等优点，被认为是最有效的绿色制氢装置之一。然而，阳极催化剂的不稳定性极大地阻碍了PEMWE的大规模应用。尽管IrO2催化剂具有良好的活性，但由于Ru-O键的高共价性触发了晶格氧(LOM)氧化机制，导致Ru溶解严重。有研究表明，在RuO2中掺杂异质金属原子，可以改变Ru-O键的共价性。然而，大多数掺杂元素在激活LOM途径的同时增强了Ru-O键的共价性，导致活性提高但稳定性较差。
此外，目前掺杂Ru基氧化物是通过掺杂原子取代Ru原子来实现，这减少了催化剂中Ru-O结构的数量，不利于进一步提高Ru基氧化物的活性。因此，有必要探索有效的掺杂策略，在不损失Ru-O结构数量的前提下减弱Ru-O键的共价性。近日，重庆大学陈四国课题组将耐酸性和短有效离子半径的类金属Si插入RuO2晶格的间隙来构建间隙Si修饰的RuO2催化剂，该催化剂表现出高活性和稳定性的酸性OER。间隙Si掺杂RuO2的稳定性来源于：Si-O键的键离解能(798 kJ mol−1)高于Ru-O键的键离解能(481 kJ mol−1)，这降低了Ru-O键的共价性，有利于抑制LOM途径和增强AEM途径。此外，稳定的Si-O键可以阻止晶格氧参与OER，从而抑制OV的形成。以上这两个因素，加上Si在酸性介质中的稳定性，共同提高了催化剂的稳定性。更重要的是，Si掺入RuO2晶格降低了速率决定步骤(RDS)的能垒，优化了*OH中间体在活性Ru位点上的吸附强度，从而提高了OER性能。电化学性能测试结果显示，在0.1 M HClO4溶液中，最优的Si-RuO2-0.1催化剂在10 mA cm−2电流密度下的OER过电位仅为226 mV，并且其能够在该电流密度下稳定运行800小时，过电位仅增加42 mV。此外，XRD、TEM和XPS等表征结果显示，Si-RuO2-0.1的晶体结构和形貌在800小时的稳定性测试后仍然保持完整，Si、Ru和O元素也均匀分布在Si-RuO2-0.1中，进一步说明了Si-RuO2-0.1对酸性OER具有良好的稳定性。总的来说，该项工作揭示Si在提高RuO2稳定催化酸性OER中的重要作用，为今后研究Ru基氧化物催化剂在酸性环境中的稳定性提供了参考范例。Locking the lattice oxygen in RuO2 to stabilize highly active Ru sites in acidic water oxidation. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46815-6
