Science：Ta稳定用于RuO2用于工业电解水催化剂

一、 【科学背景】  

        在质子交换膜水电解槽中，氧进化反应的催化剂扮演着关键角色。然而，目前工业上广泛使用的氧化铱（IrO₂）催化剂因其稀缺性和高昂成本而备受限制。为了解决这一问题，研究者们寻找更经济有效的替代材料，其中氧化钌（RuO₂）因其优异的催化性能而备受关注。尽管如此，RuO2的稳定性问题一直是阻碍其广泛应用的主要障碍。四川大学的康毅进和美国Materials and Process Simulation中心的William A. Goddard III团队采取了一种科学的方法来深入探究RuO₂的结构依赖性腐蚀问题。通过定义明确的扩展表面模型，我们确定了RuO₂在特定结构条件下会发生腐蚀，导致钌（Ru）元素的溶解，从而影响其催化活性。这一发现为改善RuO₂的稳定性提供了重要的理论依据。在此基础上，我们进一步开发了一种新型的Ta-RuO₂电催化剂。在工业示范测试中，Ta-RuO₂展现出了接近IrO2的卓越稳定性。经过2800小时的持续测试，Ta-RuO₂的性能衰减率仅为每小时14微伏，这一结果显著低于传统RuO₂催化剂的性能衰减速度。此外，在电流密度为每平方厘米1安培的条件下，Ta- RuO₂的过电位比IrO₂低330毫伏，这表明Ta-RuO₂在电催化活性上具有明显优势。相关研究成果以“Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

二、【科学贡献】

图1 .对RuO₂扩展表面的研究。© 2025 Science

图2 对Ta改性 RuO₂表面的研究。。© 2025 Science

图3 RuO₂和掺杂Ta的RuO₂的 OE反应机制。© 2025 Science

图4 纳米级 Ta_0.1Ru_0.9O_2-x 电催化剂的工业测试。© 2025 Science

三、【 创新点】 

1．通过定义明确的扩展表面模型，确定了RuO₂在特定结构条件下会发生腐蚀，导致钌（Ru）元素的溶解，从而影响其催化活性。

2.  Ta-RuO₂电催化剂的研究进展为质子交换膜水电解槽中氧进化反应提供了一种新的、成本效益更高的解决方案。。

四、【 科学启迪】

       本文发现在 OER 过程中，RuO₂电催化剂会受到与结构有关的腐蚀。这种腐蚀是由于RuO₂电催化剂稳定性差（即 Ru 溶解）的直接原因。掺杂 Ta 可以抑制Ru的溶解，同时提高 RuO₂ 电催化剂对 OER 的内在活性。工业示范清楚地表明，RuO₂ 电催化剂稳定性差的问题已被成功解决，Ru 基催化剂具有更高的催化活性。与基于 Ir 的催化剂相比，基于 Ru 的催化剂具有更理想的 OER 活性，从而为 PEM-WE 的电催化剂提供了极具吸引力的选择。Ta-RuO₂电催化剂，其出色的稳定性和较低的过电位不仅有望降低水电解制氢的成本，还可能推动清洁能源技术的发展。这项研究不仅为RuO₂催化剂的改进提供了新的思路，也为其他高性能催化剂的开发提供了宝贵的经验。随着进一步的研究和优化，Ta-RuO₂有望在未来的水电解技术中发挥重要作用。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938