近日，我院梁汉锋副教授在质子交换膜电解水制氢方向取得研究进展，相关成果以“Direct Dioxygen Radical Coupling Driven by Octahedral Ruthenium−Oxygen−Cobalt Collaborative Coordination for Acidic Oxygen Evolution Reaction”为题发表在Journal of the American Chemical Society上（DOI: 10.1021/jacs.3c05556）。
相比于目前商业化的碱性电解槽，质子交换膜电解槽由于其氢离子电导率更高、运行电流密度更大、动态效应速度更快等优势有望成为将来主流的绿氢生产方式。然而，该反应的重要瓶颈之一在于阳极不稳定的酸性析氧反应，即使是典型的贵金属RuO2和IrO2也无法同时承受强酸性和强氧化性运行环境。此外，贵金属催化剂的价格恶劣也严重制约了质子交换膜电解槽迈入商业化应用。相较于贵金属元素，尖晶石Co3O4是目前最具有潜力的非贵金属酸性析氧反应催化剂之一，但其反应活性和稳定性仍有待进一步提升。
基于此，该工作提出了采用析氧反应活性较高的Ru原子局部选择性替代尖晶石Co3O4中八面体Co位点，从而形成强电子耦合效应的八面体Ru-O-Co协同配位结构。理论计算和原位表征显示这种高度对称且压缩的八面体Ru-O-Co协同配位结构可以实现双氧自由基直接耦合并释放氧气，而非形成热力学上不利的羟基氧物种，从而回避反应过电位限制的吸附体演化机制，因此改善了催化剂的酸性析氧反应活性。此外，反应过程中八面体Ru-O-Co协同配位结构还可以通过桥氧键捕获周围四面体Co位点电氧化损失的电子，从而抑制其本身过度电氧化成CoO2和RuO4酸性可溶性物质，从而维持该催化剂酸性析氧反应稳定性。
该研究工作由梁汉锋副教授和王周成教授共同指导完成，我院2018级硕博连读研究生朱维杰为论文第一作者，理论计算部分由吉林师范大学姚芬博士完成，本院硕士生赵梦婷、分析测试中心工程师洪麒明、电子科技大学硕士生程康娟、江秋副教授以及淡江大学Cheng-Jie Yang、董崇礼教授等参与了实验表征与测试。该工作得到了国家自然科学基金（22001081）、中央高校基本科研业务费（20720210010）和吉林省自然科学基金（YDZJ202201ZYTS362）的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05556
图文来源：https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/22254.htm