与商用碱性水电解池相比，酸性质子交换膜水电解池(PEMWE)具有欧姆内阻低、电流密度高和与可持续能源兼容性好等优点。然而，阳极析氧反应(OER)缓慢的动力学以及大多数电催化剂在强酸性和氧化条件下会遭受腐蚀和溶解，PEMWE的发展受到严重限制。贵金属Ru基材料是最先进的OER催化剂，但其在酸性析氧过程中也会形成可溶性物种(如RuO4)，并且Ru高昂的价格也限制了其大规模应用。因此，通过提高Ru的利用效率(如在耐酸载体上负载高分散的团簇甚至单个原子)或直接使用非贵金属催化剂来降低Ru的用量对于推动PEMWE的发展至关重要。基于此，厦门大学梁汉锋、电子科技大学江秋和吉林师范大学姚芬等开发了一种高活性和稳定的RuCoOx催化剂，通过用Ru原子部分取代尖晶石Co3O4中的Cooct位点来增强酸性OER性能。实验结果和理论计算均表明，通过构建具有强电子耦合效应的高度对称的Ruoct-O-Cooct协同配位，显著缩短了Ruoct与Cooct之间的空间距离，加速了直接氧自由基耦合。同时，Ruoct-O-Cooct协同配位诱导了非均相双原子氧机制(DOM)，而不是更常见的AEM和结构不稳定的LOM。更重要的是，由于周围富电子的四面体Co (Cotet)原子通过桥氧键吸附在催化剂表面，抑制了活性Ru和Co物种的过氧化和溶解，使得Ruoct-O-Cooct协同配位的强相互作用在酸性OER过程中持续发挥作用。因此，即使在Ru负载量为42.8 μg cm-2的条件下，RuCoOx催化剂也表现出显著增强的OER活性和酸性条件下的稳定性。具体而言，RuCoOx在10 mA cm-2电流密度下的OER过电位仅为200 mV；并且其可以在10 mA cm-2下稳定运行至少100小时而仅发生45 mV的电位衰减。此外，基于商业20 wt% Pt/C和RuCoOx组装的PEMWE仅需1.53，1.56和1.60 V的电压就能达到100，200和400 mA cm-2的高电流密度，并且其能够在100 mA cm-2下连续运行10小时而未发生明显电压波动。综上，该项工作不仅证明了RuCoOx是一种高效的酸性OER电催化剂，而且提出了一种有效的策略来显著提高Co3O4的酸性OER性能，为设计具有优异OER活性的尖晶石氧化物提供了范例。Direct Dioxygen Radical Coupling Driven by Octahedral Ruthenium–Oxygen–Cobalt Collaborative Coordination for Acidic Oxygen Evolution Reaction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c05556
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