在酸性条件下进行析氧反应（OER）时，由于催化剂的氧化和溶解以及电流-电容效应，基于氧化物的电催化剂存在不稳定性问题，限制了它们在质子交换膜水电解（PEMWE）中的应用。
2025年2月28日，东北师范大学常进法、邢子豪、中佛罗里达大学（UCF）杨阳在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society发表题为《Tailoring Octahedron-Tetrahedron Synergism in Spinel Catalysts for Acidic Water Electrolysis》的研究论文，霍孟田、 Hao Sun为论文共同第一作者，常进法、邢子豪、杨阳为论文共同通讯作者。
为了应对这些挑战，作者定制了Co3O4尖晶石结构，并通过用Ni和Ru分别部分取代Co（记为NiRuCoOx），利用了四面体和八面体位点之间的协同作用。
这样的催化剂设计产生了Ru-O-Ni电子耦合效应，促进了直接的二氧自由基耦合的OER途径。
密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼光谱结果证实，Ru是双原子氧机制中的活性位点，而Ni稳定了晶格氧并形成Ru-O键。设计的NiRuCoOx催化剂的过电位异常低，仅为166 mV，电流密度为10 mA cm-2。
此外，作为PEMWE中的阳极，NiRuCoOx需要1.72 V的电压才能达到3A cm–2的电流密度，满足了美国能源部（DOE）设定的2026年目标（1.8V@3A cm–2）。
与商业RuO2（2.13 mV h-1）相比，PEMWE设备可以稳定运行超过1500小时，性能衰减率显著降低至0.025 mV h-1。
本工作为定制尖晶石Co3O4的八面体-四面体位点提供了一种有效的方法，从而显著提高了PEMWE的活性和稳定性。
图1：NiRuCoOx的设计原理示意图
图2：NiRuCoOx的合成与物理表征
图3：XAS分析
图4：OER性能测试
图5：OER反应路径与机理研究
图6：PEMWE性能测试
综上，本研究通过在具有尖晶石结构的Co3O4中部分替换Co原子为Ni和Ru，设计了一种新型催化剂NiRuCoOx，用于质子交换膜水电解（PEMWE）中的酸性析氧反应（OER）。研究揭示了Ni和Ru在催化剂中的协同作用，特别是Ru-O-Ni电子耦合效应，显著提高了OER活性和催化剂的稳定性。
该研究成功开发了一种具有极低过电位（166 mV）的NiRuCoOx催化剂，能够在10 mA cm-2的电流密度下高效进行酸性OER。在PEMWE中，NiRuCoOx作为阳极催化剂，仅需1.72 V即可达到3A cm-2的电流密度，远低于美国能源部（DOE）设定的2026年目标（1.8 V@3 A cm-2）。此外，该催化剂在1500小时的长期运行中表现出极低的性能衰减率（0.025 mV h-1），显著优于商业RuO2。
这一成果不仅为设计高效、稳定的酸性OER催化剂提供了新的思路，也为质子交换膜水电解技术的商业化应用提供了重要的技术支持，有望推动绿色氢能源的发展。
Tailoring Octahedron-Tetrahedron Synergism in Spinel Catalysts for Acidic Water Electrolysis, J. Am. Chem. Soc., 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c00665.