電催化水分解被認(rèn)為是利用可再生能源產(chǎn)氫，降低化石能源消耗和解決環(huán)境污染問題的一個(gè)理想的策略。作為一種主流的制氫裝置，質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWE)由于具有制氫純度高、工作電流密度大、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，受到研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。

然而，PEMWE的極端強(qiáng)酸性環(huán)境需要使用貴金屬作為電極，并且陽(yáng)極OER緩慢的動(dòng)力學(xué)也限制了制氫效率。釕的氧化物(RuO2)具有相對(duì)較低的成本和較高的催化活性常作為PEMWE的電催化劑。 然而，Ru在酸性O(shè)ER條件下的溶解和低活性限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了各種方法來(lái)增強(qiáng)RuO2的OER性能，但是其在酸性條件下穩(wěn)定性差的問題仍未得到有效解決。因此，開發(fā)有效的策略使得RuO2同時(shí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的活性和穩(wěn)定性具有重要意義。

近日，廈門大學(xué)黃小青、韓佳甲和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王現(xiàn)英等針對(duì)RuO2在酸性O(shè)ER條件下穩(wěn)定性差、催化活性有限的問題，提出了多組分催化劑的設(shè)計(jì)策略。

具體而言，研究人員通過在RuO2晶格中同時(shí)引入耐酸組分(Ir)和活性增強(qiáng)組分(Fe，Co，Ni)，利用一種快速、非平衡的方法制備了富含晶界(GB)的五元高熵氧化物(M-RuIrFeCoNiO2)。

微觀結(jié)構(gòu)分析、密度泛函理論(DFT)計(jì)算和同位素標(biāo)記的差分電化學(xué)質(zhì)譜(DEMS)表明，外源金屬元素和GB的引入可以有效地改變RuO2的電子結(jié)構(gòu)和OER途徑，抑制了OER過程中晶格氧的參與，從而提高其活性和穩(wěn)定性；同時(shí)，多種外源金屬元素與GB的協(xié)同作用可以調(diào)節(jié)氧中間體的結(jié)合能，加速OER的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

因此，所制備的M-RuIrFeCoNiO2催化劑在0.5 M H2SO4溶液中達(dá)到10 mA cm?2電流密度時(shí)所需的OER過電位僅為189 mV，在300 mV下的周轉(zhuǎn)頻率(TOF)高達(dá)0.24 O2 s?1。 此外，以M-RuIrFeCoNiO2作為陽(yáng)極和商業(yè)Pt/C作為陰極的PEM電解槽中，在80 ℃下以1 A mA cm?2的電流密度連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)，槽電壓僅有輕微衰減，表明M-RuIrFeCoNiO2具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。

總的來(lái)說，該項(xiàng)工作綜合了各種組分和GB的優(yōu)點(diǎn)，突破了不同金屬元素?zé)崃W(xué)溶解度的限制，為設(shè)計(jì)高性能酸性O(shè)ER電催化劑提供了一種新策略。

Misoriented High-entropy Iridium Ruthenium Oxide for Acidic Water Splitting. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf9144