华理/日本东北大学Nano Lett.: 引入Sr活化和Cr缓冲对，协同增强RuO2催化酸性OER

质子交换膜电解(PEMWE)是一种很有前途的绿色能源技术。酸性和氧化条件使得析氧反应(OER)催化剂主要为Ir基材料，这种催化剂成本高昂且稀缺，阻碍了其大规模应用。Ru基材料已成为最有潜力的Ir的替代品，但其稳定性仍不理想。OER活性与Ru活性位点的电子结构密切相关，因此可以通过改变Ru氧化态或Ru-O杂化强度来改善OER性能。

先前的实验和理论研究指出，具有较高氧化态的Ru活性中心，由于对含O中间体的结合强度减弱，活性可以得到提高。然而，在整个OER过程中不可避免地发生Ru位点的过度氧化，并且由于过氧化的RuO₄易于溶解，这迫使人们开发有效的策略来避免Ru在OER过程中发生过度氧化。

近日，华东理工大学李春忠、李会会和日本东北大学李昊等提出了一个“弹性电子转移”策略，即利用多价金属作为一个电子缓冲区，既可以提供电子，也可以接受电子。具体而言，吸电子的Sr增加了Ru的氧化态，而电子供体多价态Cr在Sr，Cr共掺杂的RuO₂催化剂中缓和了Ru的氧化态。

在OER过程中，Sr迅速释放出来，露出更多的活性Ru位点，而Cr则起到电子受体的作用，吸收多余的电子。这种双向电子转移在Cr缓冲作用下，有效地防止了Ru的过度氧化，并保持了Ru活性中心在OER期间增强的氧化状态。

原位表征表明，由于Cr的缓冲作用，Sr浸出不影响Ru的氧化状态，也不影响Ru和O的杂化。密度泛函理论(DFT)计算表明，Cr掺杂降低了含O中间体的吸附强度，达到中间水平，从而提高了Sr浸出后催化剂的整体活性。电化学性能测试结果显示，在0.1 MHClO₄中，最佳的Ru₃Cr₁Sr_0.175催化剂仅需214 mV的低过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度，并在该电流密度下连续稳定运行超过300小时。

总的来说，该项工作提出了一种灵活有效的多金属共掺杂双向操纵Ru电子结构的策略，为设计高效的酸性OER催化剂提供了参考。

Synergistic Sr activation and Cr buffering effect on RuO₂ electronic structures for enhancing the acidic oxygen evolution reaction. Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02605