全文概要

华中科技大学刘友文、翟天佑团队报道了一种通过电负性调控设计的Li与Ru共掺杂Co₃O₄尖晶石催化剂（LRCO），该催化剂结合了Li–O离子键与Ru/Co–O共价键的混合键合模式，有效解决了酸性析氧反应中催化剂因晶格氧过氧化和金属浸出导致的不稳定问题。Li–O离子键通过静电作用锚定晶格氧，抑制氧空位形成；Ru–O–Co共价网络则促进电子在金属位点间的可逆转移，防止Ru在高电位下过氧化。LRCO在酸性条件下表现出141 mV@10 mA cm⁻²的超低过电位，并具有超过3,300小时的长期稳定性。将其集成于质子交换膜电解槽中，可在1 A cm⁻²下稳定运行720小时，性能优于欧盟2030年目标。

本文要点

1. 结构与键合特性： LRCO中Li–O（ΔEN = 2.46）为离子键，Ru–O–Co（ΔEN ≈ 1.22–1.56）为共价键，形成稳定的Li–O–Ru–O–Co功能单元；HAADF-STEM与EELS证实Ru原子取代Co位于八面体位点，Li掺杂引起晶格应变。

2. 电催化性能： LRCO在0.5 M H₂SO₄中过电位仅为141 mV，TOF值达201 h⁻¹@1.53 V，远超RuO₂（5 h⁻¹）；在10 mA cm⁻²下稳定运行超过3,300小时，Ru溶出率显著降低。

3. 机制解析： 原位XAS与拉曼光谱揭示Ru与Co之间存在电位依赖的电子再分配行为，避免Ru过氧化；Li–O键有效抑制晶格氧参与反应，防止结构坍塌。

4. 实际应用： PEM电解槽在1.75 V电压下实现1 A cm⁻²电流密度，稳定运行720小时，制氢成本低至1.59 $/kg H₂，具备工业化应用前景。

文献详情

Shicheng Zhu, Ruoou Yang, Yingying Xu, et al. Mixed Ionic–Covalent Bonds Achieve Durable Acidic Water Oxidation, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c12381

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https://doi.org/10.1021/jacs.5c12381