适用于长效质子交换膜电解水的高效制氧催化剂

质子交换膜水电解槽（PEMWEs）是绿色制氢的核心技术，具有高电流密度、快速响应和产氢纯度高等优点。然而，阳极苛刻的酸性环境需要贵金属催化剂来进行析氧反应（OER），而铱基催化剂因稀缺和高昂成本限制了其大规模应用。钌基材料因成本较低（仅为铱的八分之一）且氧化钌（RuO₂）具有优异的OER活性，被视为理想替代品，但RuO₂在酸性介质中易过氧化生成可溶性RuO₄，导致结构坍塌和钌溶解，长期稳定性远不能满足实际需求。如何协同提升钌基催化剂的活性和稳定性，成为推动非铱PEMWEs商业化的关键挑战。

为解决这一挑战，研究人员提出了一种超越传统原子有序排列的催化剂设计策略，即通过钼（Mo）掺杂与非晶-结晶（AC）异相结构的协同整合，构建出异相MoRuOx催化剂（AC-MoRuOx）。该催化剂通过简单的混合-蒸发-退火工艺制备：将氯化钌、乙酰丙酮钼和聚乙烯吡咯烷酮分散在乙醇溶液中，蒸发得到凝胶状前驱体后在空气中退火，通过控制退火温度（300°C、400°C、500°C）分别获得非晶（A-MoRuOx）、异相（AC-MoRuOx）和结晶（C-MoRuOx）三种结构。

实验表明，AC-MoRuOx在酸性OER中表现出优异性能：在10 mA/cm²电流密度下过电位仅为180毫伏，且能稳定运行超过3000小时，钌溶出可忽略不计。与结晶态C-MoRuOx（193 mV@10 mA/cm²）和非晶态A-MoRuOx相比，异相结构显著优化了催化活性。在PEMWE器件中，以AC-MoRuOx为阳极的电解槽在1.65 V电压下可达到2.0 A/cm²的电流密度，并在1.0 A/cm²和1.5 A/cm²的工业级高电流密度下分别稳定运行≥2000小时和1000小时，远优于现有钌基催化剂。此外，该电解槽制氢成本约为每千克0.91美元，远低于美国能源部设定的每千克2美元目标。

机理研究表明，钼掺杂通过降低钌的电荷态和削弱Ru-O键的共价性，有效抑制了钌的过氧化和溶解；AC异相界面则通过分离电荷聚集和中间产物吸附过程稳定钌的价态，同时结晶区域提供高导电性，非晶区域赋予结构柔韧性，实现了活性与稳定性的协同优化。理论计算证实，异相结构通过调制电子能带结构和界面电荷分布，显著降低了OER决速步的能垒。

这项突破为开发兼具高活性和工业级稳定性的非铱催化剂提供了一种有前景的设计范式，有望推动低成本非铱基PEMWEs的商业化进程。