摘要：与碱性水电解相比，质子交换膜水电解(PEMWE)由于其优越的离子导电性、最小的气体交叉、快速动力学和高电流密度，已引起广泛关注。然而，在腐蚀性酸性环境中，PEMWE的析氧反应(OER)常常受到缓慢动力学的限制，需要使用稳定高效的电催化剂。

与碱性水电解相比，质子交换膜水电解(PEMWE)由于其优越的离子导电性、最小的气体交叉、快速动力学和高电流密度，已引起广泛关注。然而，在腐蚀性酸性环境中，PEMWE的析氧反应(OER)常常受到缓慢动力学的限制，需要使用稳定高效的电催化剂。

RuO2基催化剂虽然提供比IrO2基催化剂更高的内在酸性OER活性和更低的成本，但是其在酸性环境中易受电子损失的影响，导致氧化成更高的价态并随后作为可溶性RuO4物种溶解。这种失活在高电压下进一步加剧，其中界面水吸附不足阻碍电子补充，导致晶格氧参与OER过程并损害长期稳定性。

此外，在酸性OER过程中，催化剂表面质子的积累加速了金属中心的电子消耗，导致金属的过度氧化和溶解。尽管已经使用掺杂和杂交等策略来通过优化中间体的结合能来增强RuO2性能，这些方法通常忽略催化剂-电解质界面的关键作用。因此，对双层膜中的质子特性和界面水结构进行微调是实现高电压下稳定RuO2催化剂的一种有前途的策略。

近日，南京航空航天大学彭生杰课题组通过调节电化学双层结构中界面水的吸附形态和取向来展示对OER的控制，从而在PEMWE中获得高活性和稳定性。具体而言，这个概念是通过将路易斯酸(LA)物种引入RuO2催化剂表面(LA-RuO2，LA=TiO2，ZrO2和HfO2)来实现的。

其中LA作为优化氢键网络的亲水单元，而RuO2用于驱动水分子活化成氧气。LA单元和H2O分子之间的氢键相互作用连接催化剂-电解质界面，形成连续的氢键网络。重构的氢键网络不仅为质子转移提供了传输途径，而且捕获了自由水，促进了吸附的H2O的去质子化，抑制了晶格氧的氧化。

此外，原位光谱分析证实，在高电压下，电子从LA单元到Ru中心的再分布减少了Ru-O键的平均长度，保持了最佳的氢键数量，并增加了催化剂的内在稳定性。

因此，在0.5 M H2SO4溶液中，最优的ZrO2-RuO2催化剂仅需170 mV的过电位就能达到10 mA cm-2的电流密度，在1.45 V处的转换频率(TOF)为47.7 s-1，并且在10 mA cm-2下连续电解1800小时后过电位仅升高25 mV。

此外，ZrO2-RuO2在PEMWE中也表现出卓越的性能，仅需2 V的电池电压就能达到3.0 A cm-2的电流密度，并在2.0 A cm-2保持稳定运行100小时，超过了最近报道的先进的Ir基OER催化剂。

总的来说，该项工作证实在催化剂-电解质界面引入额外的局部力场以驱动水分子的运动和重新定向有助于提升水分解活性和稳定性，为开发有效的酸性水分解催化剂提供了理论依据。

Lewis acid-mediated interfacial water supply for sustainable proton exchange membrane water electrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c14529

彭生杰，2010年于南开大学取得博士学位，导师陈军院士。随后分别加入南洋理工大学Prof. Yan Qingyu和新加坡国立大学Prof. Seeram Ramakrishna（英国工程院院士）课题组进行博士后研究。江苏省特聘教授、江苏省“双创人才计划”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、南航首批“长空学者”。研究方向为微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学储能与催化研究，取得了一系列创新性科研成果。

来源：华算科技