目前，主要商业水电解技术是质子交换膜（PEM）电解和碱性电解。铱（Ir）基电催化剂由于其在酸性析氧反应（OER）下优异稳定性，仍然是PEM水电解中唯一使用的阳极催化剂，但其大规模使用从根本上受到铱金属产量低的阻碍。因此，开发非铱基催化剂实现PEM高效稳定电解制氢对实现低成本清洁氢能生产至关重要。
美国莱斯大学汪淏田教授、美国匹兹堡大学王国峰教授和美国弗吉尼亚大学张森教授（三人共为通讯作者）等人报道了一种镍稳定的二氧化钌（Ni-RuO2）催化剂，其在PEM电解水的酸性OER过程中具有高活性和耐久性。结果表明，在200 mA cm-2电流密度下，Ni-RuO2基电解槽可以稳定运行1000小时以上，表明其具备实际应用的潜力。
研究者通过将Ni加入RuO2晶格中以制备Ni-RuO2催化剂。在炭黑载体上采用金属前驱体的湿法浸渍，然后进行H2/Ar退火还原，获得负载在炭黑上的Ru3Ni纳米颗粒（Ru3Ni/C）；将获得的Ru3Ni/C在空气中退火，以将Ru3Ni纳米颗粒转化为Ru3NiOx，并去除碳载体；最后，通过酸浸去除不稳定的Ni物种并获得平均直径约为4.0 nm的Ni-RuO2催化剂。随后，研究人员在酸性电解液中的旋转圆盘电极（RDE）电化学测试。线性扫描伏安法（LSV）曲线表明，相比于商业的RuO2纳米颗粒（Com-RuO2），Ni-RuO2催化剂具有更好的OER活性。Ni的加入显示出RuO2的OER活性的明显增强，Ni-RuO2达到10 mA
cm-2的过电位为214 mV，低于RuO2（227 mV）。此外，Ni-RuO2的Tafel斜率为42.6 mV dec-1，低于RuO2（52.9 mV dec-1）和Com-RuO2 （60.7 mV dec-1）。在1.45 V电位下Ni-RuO2的电化学阻抗（EIS）显示出最低的电荷传输电阻，表明该催化剂增强了OER动力学。在连续运行200 h后，Ni-RuO2表现出可忽略不计的电位增加，表明该催化剂在酸性OER条件下表现出优异稳定性，优于此前报道的大多数非铱基酸性OER催化剂。密度泛函理论结合动态原位微分电化学质谱分析，证实Ni-RuO2上的吸附质演化机制，计算表明Ni-RuO2 (110)表面的OER极限电位为1.70 V，比RuO2低0.2 V，表明其具有更高的OER活性。以上现象表明Ni掺杂在稳定表面Ru和亚表面氧以提高OER耐久性方面的关键作用。为了研究Ni-RuO2催化剂在水电解中的实际应用潜力，研究者采用Ni-RuO2作为OER的阳极催化剂，商用Pt/C作为HER的阴极催化剂，Nafion 117质子交换膜构建了PEM-WE电解槽。与RuO2和Com-RuO2电解槽相比，Ni-RuO2/PEM/Pt/C电解槽具有更优异的水电解活性。在200 mA cm-2电流密度下，对比了Ni-RuO2和 RuO2电解槽的稳定性，在电解120小时后，Ruo2电解槽的电压明显增加，这表明在实际操作条件下OER稳定性较差。而Ni-RuO2催化剂运行了1000小时，电压仅增加少许。尽管Ni-RuO2催化剂的稳定性能与典型的工业要求之间仍存在差距（在80℃下运行超过10年，电流大于1 A cm2），但本研究中使用的钌基催化剂实现的高稳定性表明了未来利用钌基催化剂替代铱基催化剂的应用潜力。
图1 镍稳定的二氧化钌（Ni-RuO2）材料的合成与表征
本项研究设计并开发了一种镍稳定的二氧化钌（Ni-RuO2）质子交换膜电解水的新型催化剂，在200 mA cm-2电流密度下，Ni-RuO2基电解槽可以稳定运行1000小时以上，具备实际应用的潜力。研究结果发表在《Nature Materials》。
文献来源：Zhen-Yu Wu, Feng-Yang Chen, Boyang Li, et al., Non-iridium-based
electrocatalyst for durable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange
membrane water electrolysis. Nature
Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01380-5
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