在各种水电解系统中，质子交换膜水电解(PEMWE)因其高电流密度、氢纯度(>99.99%)和快速动态响应等优点而备受关注。但是，PEMWE经常遭受阳极OER动力学迟缓的困扰，并在高氧化酸性环境中催化剂发生显著降解，从而显著阻碍了其大规模部署。因此，考虑到这些限制，设计和合成同时具有高活性和长期稳定性的酸性OER催化剂是一项迫切且具有挑战性的任务。
目前，Ru/Ir基催化剂被广泛用作基准OER电催化剂。其中，与Ir基催化剂相比，Ru基催化剂因其出色的催化活性、丰富的储量和成本效益。然而，在酸性阳极化条件下，它们容易形成可溶性*VO-RuO42-中间体，从而导致快速失活。因此，深入了解Ru基催化剂的OER催化机理并阐明催化剂结构与性能之间的相关性，对于准确合成具有异常稳定性和活性的Ru基电催化剂至关重要。
近日，北京理工大学曹敏花、海南大学孙萍萍和文伟等报道了一种AEM衍生的质子受体-电子供体机制(PAEDM)，该机制通过构建RuO2 (表示为C,Ta-RuO2)的间质-替代混合固溶体结构，可以打破活性-稳定性权衡，从而实现优异的酸性OER性能。原位表征和理论计算显示，C,Ta-RuO2催化剂遵循PAEDM，绕过*OH和*OOH之间的线性关系，对OER具有较低的能垒。
具体而言，C被选择性地插入RuO2晶格的间隙位点，作为额外的质子受体促进脱质子过程，从而打破单一的吸附-解离线性关系，提高OER活性；而Ta作为高价过渡金属被有意引入RuO2，其作为电子供体，通过桥氧将电子供给Ru位点，以提高Ru周围的电子密度，从而阻止可溶性高价Ru物种的形成，从而有效提高OER稳定性。
以上两个因素共同确保了C,Ta-RuO2催化剂对酸性OER具有高活性和稳定性。性能测试结果显示，在酸性条件下，C,Ta-RuO2催化剂仅需171 mV的过电位就能达到10 mA cm-2，并在超过1300小时的连续运行过程中保持出色的稳定性。
此外，在可扩展的PEMWE中，C,Ta-RuO2催化剂同样表现出显著的水电解性能，仅需1.63 V的低电压就能产生1 A cm-2的电流密度，并表现出长达100小时的耐久性。
总的来说，该项工作不仅证实调节质子转移能力以构建具有平衡活性和稳定性的电催化剂对于设计更多功能的催化剂具有重要意义，也为Ru基酸性OER催化剂在下一代PEMWE系统中的实际应用提供了坚实的基础。
Interstitial-substitutional-mixed solid solution of RuO2 nurturing a new pathway beyond the activity-stability linear constraint in acidic water oxidation.Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202503354