厦大/上硅所Science子刊：高效催化酸性水分解

电催化水分解被认为是利用可再生能源产氢，降低化石能源消耗和解决环境污染问题的一个理想的策略。作为一种主流的制氢装置，质子交换膜水电解槽(PEMWE)由于具有制氢纯度高、工作电流密度大、响应时间快等优点，受到研究人员越来越多的关注。

然而，PEMWE的极端强酸性环境需要使用贵金属作为电极，并且阳极OER缓慢的动力学也限制了制氢效率。钌的氧化物(RuO2)具有相对较低的成本和较高的催化活性常作为PEMWE的电催化剂。
然而，Ru在酸性OER条件下的溶解和低活性限制了其进一步应用。迄今为止，已经开发了各种方法来增强RuO2的OER性能，但是其在酸性条件下稳定性差的问题仍未得到有效解决。因此，开发有效的策略使得RuO2同时实现增强的活性和稳定性具有重要意义。

近日，厦门大学黄小青、韩佳甲和中国科学院上海硅酸盐研究所王现英等针对RuO2在酸性OER条件下稳定性差、催化活性有限的问题，提出了多组分催化剂的设计策略。

具体而言，研究人员通过在RuO2晶格中同时引入耐酸组分(Ir)和活性增强组分(Fe，Co，Ni)，利用一种快速、非平衡的方法制备了富含晶界(GB)的五元高熵氧化物(M-RuIrFeCoNiO2)。

微观结构分析、密度泛函理论(DFT)计算和同位素标记的差分电化学质谱(DEMS)表明，外源金属元素和GB的引入可以有效地改变RuO2的电子结构和OER途径，抑制了OER过程中晶格氧的参与，从而提高其活性和稳定性；同时，多种外源金属元素与GB的协同作用可以调节氧中间体的结合能，加速OER的反应动力学。

因此，所制备的M-RuIrFeCoNiO2催化剂在0.5 M H2SO4溶液中达到10 mA cm−2电流密度时所需的OER过电位仅为189 mV，在300 mV下的周转频率(TOF)高达0.24 O2 s−1。
此外，以M-RuIrFeCoNiO2作为阳极和商业Pt/C作为阴极的PEM电解槽中，在80 ℃下以1 A mA cm−2的电流密度连续运行500小时，槽电压仅有轻微衰减，表明M-RuIrFeCoNiO2具有实际应用的潜力。

总的来说，该项工作综合了各种组分和GB的优点，突破了不同金属元素热力学溶解度的限制，为设计高性能酸性OER电催化剂提供了一种新策略。

Misoriented High-entropy Iridium Ruthenium Oxide for Acidic Water Splitting. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf9144