近日，我院邱明教授团队与武汉大学罗威教授团队合作，在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）发表题为 “Boosting Acidic Oxygen Evolution Electrocatalysis by Engineering the Interfacial Water at the Electrified RuO₂-Electrolyte Interface” 的研究论文。华中师范大学孙星叶（Sun Xingye）、武汉大学朱娟（Zhu Juan）为共同第一作者，邱明教授与罗威教授为共同通讯作者。该成果针对清洁能源电催化领域的关键难题，为酸性氧析出反应性能提升提供了全新思路，标志着我院在该基础研究方向取得重大突破，赢得国际同行关注与认可。

发表论文扉页

电化学水分解制氢是间歇性可再生能源转化与氢能储存的核心技术，质子交换膜水电解槽（PEMWE）因高电流密度、高氢纯度及紧凑结构优势，应用前景广阔。但该技术规模化受限于阳极对昂贵铱（Ir）基催化剂的依赖，开发高活性、高稳定的无铱替代材料成为关键瓶颈。

氧化钌（RuO₂）成本远低于Ir基材料，且通过晶格氧机制（LOM）具备优异本征活性，是最具潜力的IrO₂替代材料之一。但它在酸性环境中稳定性不足，主要面临两大降解问题：一是LOM过程中晶格氧参与反应形成氧空位，破坏晶体结构；二是Ru活性位点易过度氧化生成可溶性RuO₄²⁻，导致催化剂溶解流失。精准调控RuO₂-电解质界面水结构以加速质子扩散，是解决酸性氧析出反应（OER）稳定性难题的有效途径。为此，本研究创新性地在RuO₂晶格中引入间隙硼原子，构建B-RuO₂催化剂，实现对界面水结构的定向调控。结合原位ATR-SEIRAS、局部pH监测及AIMD模拟等手段，揭示其稳定机制：间隙硼既强化界面氢键网络、加速质子迁移，抑制Ru位点过度氧化引发的结构崩塌；又诱导水分子重新排布，使非键合氧（ONB）能级远离费米能级，减少ONB数量并削弱水分子对其的亲核攻击，避免晶格氧流失导致的结构腐蚀。得益于这些协同效应，B-RuO₂表现出卓越服役性能：10 mA· cm⁻²电流密度下可稳定工作超1000小时；应用于PEMWE时，1.752 V电压下即可实现3.0 A· cm⁻²高电流密度，且能在4 A· cm⁻²严苛条件下稳定运行200小时，为PEMWE无铱催化剂开发提供了新思路与技术支撑。

发表论文摘要图，直观展示了 B-RuO₂与 RuO₂在界面水结构、质子迁移及稳定性上的差异

B掺杂RuO₂催化剂的主要表征结果

通过 X 射线衍射（XRD）、X 射线吸收光谱（XAS）、核磁共振（NMR）、扫描透射电子显微镜（STEM）及扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）等多种表征技术，本研究证实：硼原子以间隙位成功嵌入RuO₂晶格，形成稳定的B–O–Ru桥接结构。这种结构调控不仅使晶格轻微膨胀，还通过电子相互作用调控了Ru的化学价态与局部配位环境，为界面水结构优化及催化稳定性提升筑牢了结构基础。

B掺杂掺杂RuO₂催化剂性能测试结果

电化学测试显示，B-RuO₂催化剂在0.5 M硫酸电解液中表现出优异的OER性能：仅需190 mV 的过电位即可达到10 mA· cm⁻²电流密度，且 Tafel 斜率低至49.5 mV· dec⁻¹，反应动力学优异。该催化剂连续运行1000小时后活性无明显衰减，综合性能（活性、动力学、稳定性）显著优于纯相RuO₂及商用IrO₂，充分证明了间隙硼掺杂策略的有效性。

B掺杂RuO₂催化剂模拟计算结果展示

从头算分子动力学（AIMD）模拟揭示了 B-RuO₂的稳定机制：其表面氢键网络更致密，平均每个水分子形成 3.72 个氢键（纯相 RuO₂仅 2.08 个），且水分子呈H-down取向。这种独特界面水结构能抑制ONB遭受水分子亲核攻击，减少晶格氧流失，显著提升酸性环境下的稳定性。

综上，本研究开发出具有 B–O–Ru 局域配位环境的间隙硼掺杂 RuO₂催化剂，在酸性 OER 中表现出卓越长期稳定性。通过AIMD模拟、原位 ATR-SEIRAS 及局域 pH 监测等多维度手段，明确核心机制：B–O–Ru 结构单元在界面构建原子级局域电场，触发界面水网络重构 —— 既强化氢键连通性、加速质子转移，抑制 Ru 位点渐进氧化；又诱导水分子重新取向，使ONB态能级远离费米能级，减少ONB数量并阻断其受亲核攻击，避免晶格氧流失引发的结构腐蚀。该工作确立了界面水结构精准调控的催化设计新范式，为开发长寿命酸性OER电催化剂提供了全新思路与技术路径。

华大物院党委融媒体中心

华大物院团委宣传中心

通讯员｜许成昱

责　编｜李博扬

审　校｜赵蕴杰