该效果报导了单涣散金属铌位点在调理氧化钌电子结构来提高氧化钌在大电流密度下析氧安稳性的效果。铌的引进削弱了钌氧键的共价性，加强部分结构的电子搬运，下降钌位点价态且安稳了晶格氧，然后按捺了氧化钌的过度氧化，完成了氧化钌在质子交流膜电解水（PEMWE）制氢器材中300 mA cm电流密度下的安稳性，为规划在酸性介质中高安稳性的Ru基OER（Oxygen evolution reaction）催化剂供给了新的见地。

　　论文通讯作者是孙晓明教授和邝允教授；榜首作者是北京化工大学2020级博士研讨生刘海。

　　质子交流膜电解水（PEMWE）制氢的高电流密度和高动态呼应性可以耦合可再次出产的动力完成高效制氢，加速完成我国“碳达峰”和“碳中和”的方针。现在，质子交流膜电解水制氢的阳极催化资料极度依靠贵金属铱。可是，铱昂扬的价格和较低的催化活性以及我国的低铱储量约束了我国质子交流膜电解水制氢工业的展开。比较于铱（1105元/克），钌（117元/克）具有较高的析氧催化活性，可是氧化钌在析氧过程中的过度氧化导致安稳性差的问题约束了其在质子交流膜电解水制氢中的运用。为了按捺氧化钌的过度氧化，国内外展开了很多关于过渡金属掺杂氧化钌的研讨作业。虽然这些作业可以在某些特定的程度上提高氧化钌的活性，可是选用的过渡金属在析氧过程中的溶解以及晶格氧的参加约束了其在大电流密度下的安稳性。

　　在这项作业中，孙晓明教授团队根据课题组水滑石变价离子排挤和金属氧化物固溶体理论（Chem. Soc. Rev. 2021, 50(15), 8790），提出单涣散高价难溶金属铌掺杂氧化钌的战略，运用铌与钌与氧相互效果的差异，然后加强氧化钌内部的电荷搬运并削弱氧化钌的共价性。这一方面可以调控钌位点对析氧反响中间体的吸附，改进其析氧活性；更重要的是，这可以按捺晶格氧参加析氧和钌位点的过度氧化，终究提高氧化钌在大电流密度下的安稳性。终究，开发的Nb0.1Ru0.9O2催化剂在比文献电流密度（10 mA cm-2）大20倍的电流密度（200 mA cm-2）下的电压衰减率仅为文献报导的1/100，有望替代铱基析氧催化剂的运用。

　　课题组经过溶胶凝胶法制备了具有不一样铌含量（5%-30%）且均匀掺杂的氧化钌纳米颗粒，且铌的掺杂带来显着的晶格胀大效应。特别地，Nb0.1Ru0.9O2中的铌在晶格中处在单涣散的状况，且体相和外表散布非常共同。

　　析氧功能测验标明制备的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，优于大部分现在报导的钌基析氧催化剂。一起，Nb0.1Ru0.9O2在200 mA cm-2电流密度下的安稳性测验过程中的衰减率仅为25 V h-1，仅为文献报导的催化剂在10 mA cm-2电流密度测验下衰减率的1/100。此外，以Nb0.1Ru0.9O2作为阳极的PEM器材在300 mA cm-2电流密度下可以安稳运转100小时。

　　长期安稳性测验前后的X射线吸收近边光谱和X射线光电子能谱表征证明，单涣散的铌位点掺杂引进了强相互效果的Nb-O键，不只削弱了Ru-O键的共价性，提高钌位点电子密度，并且按捺了晶格氧参加氧气分出，消除了钌位点大电流密度下的过度氧化。此外，铌在OER过程中的氧化逐渐下降了钌的价态，确保了催化剂在大电流密度下的安稳性。

　　DFT（Density Functional Theory）理论核算证明了铌的掺杂下降了Nb0.1Ru0.9O2析氧反响速控过程（*O+H2O*OOH+H++e-）的能垒。原位红外光谱观察到Nb0.1Ru0.9O2析氧过程中的中间体*OO/*OOH的吸附峰方位（1132 cm-1）比较于纯氧化钌特征中间体的*OO/*OOH的方位（1180 cm-1）发生了红移，证明了铌掺杂增强钌位点对*OOH中间体吸附是OER活性提高的原因。宽电压规模的CV剖析发现铌的掺杂有用减小了氧化钌中的Ru4+/Ru6+氧化复原峰的峰面积，一起在铌掺杂样品的CV曲线+氧化复原峰的消失证明了铌掺杂按捺了钌位点的过度氧化，然后提高了其在大电流密度下的安稳性。该研讨不只提出了单涣散难溶金属掺杂氧化钌的规划思路，并提醒了它在提高氧化钌析氧安稳性方面的非消沉效果，也将辅导后续一系列高安稳的金属掺杂氧化钌析氧催化剂的规划和优化。该研讨得到了国家自然科学基金项目（同意号：21935001）的赞助，相关研讨成功也已请求发明专利。（来历：科学网）