动态羟基介导的电荷缓冲作用可稳定高价钌边缘位点，从而实现酸性水氧化反应

《Nature Communications》：Dynamic hydroxyl mediated charge buffering stabilizes high valence ruthenium edge sites for acidic water oxidation

　　

摘要

高价金属物种对于推动电催化酸性水氧化反应至关重要，但它们存在内在的热力学不稳定性。这种活性与稳定性的矛盾在以钌为基础的催化剂中尤为严重，因为高活性的Ru(>IV)物种同时也是导致其快速溶解的前体。在这里，我们展示了一种协同的主客体结构，通过动态的、由羟基介导的电荷缓冲来规避这一矛盾。通过将孤立的钌原子固定在β-MnO₂的边缘位置，我们发现来自宿主材料的表面羟基既决定了反应的动力学过程，也影响了其稳定性。这些羟基能够优化中间产物的结合状态，从而促进理想的O-O键形成，进而加速反应进程。同时，特定的配位环境使得锰宿主材料能够可逆地容纳多余的氧化电荷，从而防止结构不可逆的降解以及钌的溶解。由此得到的Ru_0.03Mn_0.97O₂催化剂的质量活性是RuO₂的223倍，其稳定性也提高了三个数量级。作为质子交换膜电解槽中的阳极，该催化剂能够在1?A?cm^?2的工业级电流密度下持续工作超过1000小时，性能可与IrO₂相媲美，同时还减少了80%的贵金属使用量。