宁波工程学院新能源学院碳中和实验室联合东华大学、中科院上海高等研究院近日在酸性水氧化催化剂领域取得了进展，最新研究成果“Ferromagnetic-Interaction-Induced Spin Symmetry Broken in Ruthenium Oxide for Enhanced Acidic Water Oxidation”发表于催化领域的顶级期刊《ACS Catalysis》。该研究引入了一种自旋对称性破断策略，通过合成Mn_1−xRu_xO₂金属氧化物固溶体来控制Ru基电催化剂的电子自旋，大幅提升了氧析出反应（OER）的催化效率，显著改善了水电解制氢过程中催化剂的性能和稳定性，为电解水制氢技术提供了新的解决方案。

氧析出反应中的自旋对称性破坏：催化剂性能的革命性提升

电解水制氢是生产绿色氢气的核心技术，而氧析出反应（OER）是其中最具挑战性的步骤，尤其在酸性环境下的反应效率较低。研究团队合成了一系列Mn_1−xRu_xO₂金属氧化物固溶体催化剂。通过调控锰（Mn）和钌（Ru）的比例，采用化学共沉淀法成功合成了不同成分的催化剂。

研究团队使用了X射线吸收谱等先进的表征技术，确认了钌基催化剂中钌和锰之间的铁磁相互作用使催化剂的电子自旋对称性发生变化，导致活性位点的电子结构从对称态变为非对称态，从而提升了电子传输效率。这一策略有效降低了反应的过电位需求，极大地提高了催化剂的活性。

实验结果展示出优异的催化性能与稳定性

研究团队使用线性扫描伏安法（LSV）测试催化剂在不同电流密度下的电流响应，并在酸性电解质中进行120小时的连续运行测试，观察催化剂在长期工作中的表现。经过广泛的实验验证，Mn_0.4Ru_0.6O₂催化剂在酸性环境中表现出了卓越的氧析出反应性能。研究数据显示，催化剂在10mA/cm²电流密度下，仅需196 mV的低过电位便可驱动氧析出反应。相比传统的钌基催化剂，Mn_0.4Ru_0.6O₂在120小时的连续测试中展现了极高的电化学稳定性，未见明显的活性衰减或催化剂失效现象。

催化剂设计策略的创新：自旋调控与材料优化的结合

该研究的核心创新在于通过调控电子自旋态实现催化剂性能的突破。传统的钌基催化剂在酸性环境下的稳定性有限，且存在较高的金属溶解问题。研究团队通过自旋对称性破坏使催化剂的电子密度重新分布，增强了电子与氧中间体的相互作用，有效提升了反应速率。这一机制不仅为催化剂设计提供了全新的方向，还为未来开发更具经济性和高效性的材料奠定了基础。

此外，研究还通过材料优化进一步提升了催化剂的抗腐蚀性能。通过引入锰与钌的复合结构，催化剂在极端的酸性条件下能够保持其活性和稳定性，显著减少了金属流失，从而延长了催化剂的使用寿命。通过提升氧析出催化剂的稳定性和性能，研究团队为电解水制氢技术的工业化提供了强有力的支持。这一成果不仅能够大幅降低制氢的能耗，还能延长催化剂的使用寿命。

关于宁波工程学院新能源学院碳中和实验室

该论文的第一署名单位宁波工程学院新能源学院碳中和实验室作为国内新能源领域的前沿研究机构，专注于绿色能源技术和可持续发展解决方案的创新研究。实验室围绕国家“双碳”战略，布局了涵盖电催化、二氧化碳捕集利用、金属电积等多个核心领域。通过坚持“产学研”一体化的发展模式，实验室与国内外知名研究机构及企业建立了紧密的合作关系，持续推动能源技术的革新与应用。未来，碳中和实验室将继续聚焦新能源技术的前沿发展，推动能源系统工程技术的进一步突破，为全球绿色能源发展贡献力量。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c02736。