科创中国

质子交换膜电解水（PEMWE）制氢的高电流密度和高动态响应性能够耦合可再生能源实现高效制氢，加快实现我国“碳达峰”和“碳中和”的目标。目前，质子交换膜电解水制氢的阳极催化材料极度依赖贵金属铱。然而，铱高昂的价格和较低的催化活性以及我国的低铱储量限制了我国质子交换膜电解水制氢产业的发展。相比于铱（1105元/克），钌（117元/克）具有较高的析氧催化活性，但是氧化钌在析氧过程中的过度氧化导致稳定性差的问题制约了其在质子交换膜电解水制氢中的应用。在这项工作中，提出单分散高价难溶金属铌掺杂氧化钌的策略，利用铌、钌与氧相互作用的差异，从而加强氧化钌内部的电荷转移并削弱氧化钌的共价性。这一方面能够调控钌位点对析氧反应中间体的吸附，改善其析氧活性；更重要的是，这能够抑制晶格氧参与析氧和钌位点的过度氧化，最终提升氧化钌在大电流密度下的稳定性。最终，开发的Nb0.1Ru0.9O2催化剂能够在> 0.2 A cm-2电流密度下稳定工作无明显衰减。有望取代铱基析氧催化剂应用于PEM电解水产氢器件。

该成果基于异价离子互斥和金属氧化物固溶体理论，提出单分散高价难溶金属铌掺杂氧化钌的策略，利用铌和钌与氧相互作用的差异，从而加强氧化钌内部的电荷转移并削弱氧化钌的共价性，从而实现无Ir催化剂在酸性析氧反应中长时间的稳定性。析氧性能测试表明高价难溶金属铌均匀掺杂的氧化钌纳米颗粒（Nb0.1Ru0.9O2）具有最佳的析氧活性，其在10 mA cm-2下的析氧过电势仅为204 mV，并且具有47.9 mV dec-1的低塔菲尔斜率，优于大部分目前报道的钌基析氧催化剂。同时，Nb0.1Ru0.9O2在200 mA cm-2电流密度下的稳定性测试过程中的衰减率仅为25 μV h-1，仅为文献报道的催化剂在10 mA cm-2电流密度测试下衰减率的1/100。此外，以Nb0.1Ru0.9O2作为阳极的PEM器件在300 mA cm-2电流密度下能够稳定运行100小时。研究发现单分散的铌位点掺杂引入了强相互作用的Nb-O键，不仅削弱了Ru-O键的共价性，提升钌位点电子密度，而且抑制了晶格氧参与氧气析出，消除了钌位点大电流密度下的过度氧化，从而延长了催化剂的耐久性。

质子交换膜电解水（PEMWE）制氢的高电流密度和高动态响应性能够耦合可再生能源实现高效制氢，加快实现我国“碳达峰”和“碳中和”的目标。目前，质子交换膜电解水制氢的阳极催化材料极度依赖贵金属铱。然而，铱高昂的价格和较低的催化活性以及我国的低铱储量限制了我国质子交换膜电解水制氢产业的发展。相比于铱（1105元/克），钌（117元/克）具有较高的析氧催化活性，但是氧化钌在析氧过程中的过度氧化导致稳定性差的问题制约了其在质子交换膜电解水制氢中的应用。

Nano Chem团队由孙晓明教授在2008年3月创建至今，现有4名教授，6名副教授，12名博士，60余名硕士在读。团队以纳米电极优化为突破口，结合前期在纳米催化、二维材料、表面浸润性调控等领域的技术积累，致力于无机功能纳米结构的控制合成改性，并在电解水、燃料电池、气体超浸润电极和电池储能领域取得系列进展，是北京化工大学氢能方向的代表性团队之一。团队依托化工资源有效利用国家重点实验室、软物质科学与工程高精尖创新中心两个国家级平台，具备相对完备的能源材料制备与表征条件，已经与斯坦福大学、耶鲁大学、新加坡南洋理工、德国亚琛工大等国外高校建立了长期稳定的合作。目前已在Joule, Chem.，Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等国际能源材料与化学主流刊物发表论文200余篇，被引近4万次，获批40多项国际国内发明专利，并完成多次企业转化。现承担国家自然科学基金委多项重大研究、国际（地区）重点合作、重点研发以及面上等国家级项目和多

该成果基于异价离子互斥和金属氧化物固溶体理论，提出单分散高价难溶金属铌掺杂氧化钌的策略，利用铌和钌与氧相互作用的差异，从而加强氧化钌内部的电荷转移并削弱氧化钌的共价性，从而实现无Ir催化剂在酸性析氧反应中长时间的稳定性。析氧性能测试表明高价难溶金属铌均匀掺杂的氧化钌纳米颗粒（Nb0.1Ru0.9O2）具有最佳的析氧活性，其在10 mA cm-2下的析氧过电势仅为204 mV，并且具有47.9 mV dec-1的低塔菲尔斜率，优于大部分目前报道的钌基析氧催化剂。同时，Nb0.1Ru0.9O2在200 mA cm-2电流密度下的稳定性测试过程中的衰减率仅为25 μV h-1，仅为文献报道的催化剂在10 mA cm-2电流密度测试下衰减率的1/100。此外，以Nb0.1Ru0.9O2作为阳极的PEM器件在300 mA cm-2电流密度下能够稳定运行100小时

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