利用可再生电能进行水电解被认为是绿色制氢的一个有前途和可持续的途径。目前占主导地位的碱性水电解(AWE)技术面临着产品气体交叉、高欧姆电阻、有限电流密度和低工作压力等挑战。与传统碱性电解相比，质子交换膜电解具有动力学速度更快、操作电流密度更高及产生高纯度氢气等优点，吸引更多研究和工业界的兴趣。
然而，阳极的氧化还原反应(OER)是一个四质子耦合电子转移过程，与水分解过程中的析氢反应(HER)相比，较高的反应能垒阻碍了电解水整体效率。此外，苛刻的酸性和强氧化操作条件对高性能酸性OER电催化剂的开发提出了挑战，从而阻碍了PEMWE的广泛应用。
近日，中国科学技术大学陈维、黄婷和苏州大学张亮等研究了核-壳异质结构Co掺杂Ru@RuO2催化剂在低Ru负载PEMWE器件中对酸性OER的催化作用。
尽管在早期的工作中已经研究了用于酸性OER的Co掺杂RuO2催化剂，但是这些研究都没有进一步优化它们在PEMWE装置中的性能，特别是在低催化剂质量负载的情况下。此外，Co3O4是一种高效的非贵金属酸性催化剂，这是由于其独特的尖晶石晶体结构。在该项中选择Co作为掺杂剂的原因之一是研究Co掺杂比和相变(从Co掺杂到Co3O4形成)如何影响Co-Ru@RuO2催化剂的性能。
研究人员首先利用超快脉冲加热技术合成了以工业碳物质为载体的超细RuCo合金纳米粒子(Vulcan XC-72R)。随后，将RuCo/XC-72R复合材料在空气中进行高温煅烧制备Co-Ru@RuO2催化剂。所设计的Ru-Co二元氧化物在10 mA cm-2下具有203 mV的低过电位，并且可以在该电流密度下连续稳定运行超过400小时，优于商业RuO2。
将Co-Ru@RuO2在工业PEMWE装置中部署时，在0.34 mgRu cm-2的极低Ru负载下，仅用1.58 V实现了1 A cm-2的电流密度。此外，Co-Ru@RuO2催化剂能够分别在500 mA cm-2和1 A cm-2下稳定运行超过200和70小时，超过了先前报道的高活性Ru基电催化剂。
密度泛函理论(DFT)计算表明，单原子Co掺杂和Ru@RuO2核壳异质结都可以调节原始RuO2催化剂的电子结构，削弱了Ru-O键的共价性，影响了氧中间体的吸附，使得OER过程中速率控制步骤(RDS)的能垒降低，显著改善了OER动力学。
Cobalt-doped Ru@RuO2 core–shell heterostructure for efficient acidic water oxidation in low-Ru-loading proton exchange membrane water electrolyzers. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.4c18238
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