近期，宁波工程学院新能源学院碳中和团队在国际顶级期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-025-58346-9）以“Atomic Ga triggers spatiotemporal coordination of oxygen radicals for efficient water oxidation on crystalline RuO₂”为题发表论文。王海凤博士为论文第一作者，东华大学李小鹏、罗维（新能源学院兼职教授）为论文共同通讯作者，宁波工程学院新能源学院为第一单位。

质子交换膜水电解槽（PEMWE）是绿氢制备的核心技术，但其阳极析氧反应（OER）面临高腐蚀性环境和缓慢反应动力学的挑战。目前，贵金属（如Ir、Ru）基催化剂仍是OER的基准材料，其中Ru基催化剂虽成本较低，但在酸性条件下易形成可溶性RuO₄，导致快速失活。传统OER机制（吸附演化机制AEM和晶格氧氧化机制LOM）均存在固有缺陷：AEM受限于中间体吸附能标度关系，理论过电位较高（>370 mV）；而LOM虽能降低能垒，但晶格氧流失会引发催化剂结构坍塌，降低稳定性。因此，开发兼具高活性和长寿命的酸性OER催化剂仍是一个重大挑战。

团队前期尝试通过调控反应路径（如构建具有丰富均匀活性位点对且原子间距缩短的Ru原子阵列）来促进O-O直接耦合，从而探索不同于AEM/LOM的氧化物路径机制（OPM）（Nat. Catal. 2021, 4, 1012–1023）。然而，这类设计通常对载体材料要求苛刻，限制了其广泛应用。

近期宁波工程学院新能源学院碳中和团队提出了一种基于OPM途径合理设计酸性OER电催化剂的策略：在金红石RuO₂纳米晶体原子结构中构建了单原子氧自由基供体的局部构型。通过在RuO₂晶格中引入的高密度Ga原子，通过增强相邻氧自由基的时空协同性促进了O-O自由基直接耦合，有效解决了相邻氧自由基中间体的动态适应问题，从而显著降低水解离氧化的能垒，大幅提升催化剂的本征活性。另外不同于常规催化剂的纳米颗粒构型，RuO₂纳米晶体之间紧密连接，形成了二维的超结构，从而进一步增加了催化剂的导电与传质能力，增强了反应动力学。优化后的催化剂展现出显著的OER性能提升：在电流密度为10 mA cm⁻²和100 mA cm⁻²时过电位分别低至188 mV和219 mV。此外，它还能在100 mA cm⁻²的酸性条件下保持800小时的稳定运行，优于大多数先进OER催化剂。在实际应用中，基于该催化剂的质子交换膜PEM电解水制氢在1.788 V下即可实现3 A cm^-2的高电流密度，并能在0.5 A cm^-2条件下稳定运行200小时，证明了其长期适用性。该研究为制备高性能电催化剂提供了新的设计思路，以克服质子交换膜水电解的活性-稳定性问题，在电解水制氢以及有色金属电积等需要耐受强酸腐蚀与阳极氧化条件的领域具有广泛的应用潜力。

图1：电解水析氧反应机理示意图，左右图显示了未掺杂RuO₂和掺杂了Ga的RuO₂的晶体表面反应机理。

图2：PEM电解水性能制氢评估

本研究得到了国家自然科学基金以及宁波工程学院的资助与支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58346-9