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Dual-Scale Electronic Regulation via Ru–O–Fe Coupling Enables Decoupling of Activity and Stability in Acidic Oxygen Evolution

作者
Jian Lü,Fucong Lyu,Xiongyi Liang,Xiuming Bu,Chuqian Xiao,Junda Shen,Dongqi Liu,Hu S,Yikai Yang,Shaoyan Wang,Hui Li,Wei Gao,Haijiao Zhang,Xianying Wang
出处
期刊:Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-9906841/v1
摘要

Abstract Ruthenium-based catalysts are promising alternatives to iridium for proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE), yet their practical application is limited by the intrinsic trade-off between high activity and poor stability in acidic oxygen evolution reaction (OER). Here, we report a RuFeOx superstructure that establishes a dual-scale electronic regulation framework to overcome this limitation. The Fe 2 O 3 @RuO 2 core–shell architecture introduces two synergistic Ru–O–Fe coupling motifs with distinct but hierarchical roles. At the heterointerface, energy-level alignment enables continuous electron donation from Fe to Ru, suppressing excessive oxidation of Ru active sites. Within the RuO 2 lattice, the coupling motif induces orbital redistribution by increasing the filling of the Ru d z ² orbital, which weakens Ru–O covalency, optimizes oxygen adsorption energetics, and promotes direct O–O coupling with reduced lattice oxygen participation. As a result, the catalyst simultaneously achieves high activity and durability, delivering an overpotential of 208 mV at 10 mA cm − 2 in 0.5 M H 2 SO 4 and stable operation for over 300 h. In a PEM water electrolyzer, it enables continuous operation at 1 A cm − 2 for 200 h with a low Ru loading of 0.85 mg cm − 2 . Combined experimental and theoretical analyses reveal that interfacial charge transfer and lattice-confined orbital modulation operate in a hierarchical manner to govern catalytic behavior across multiple scales. This work provides a generalizable strategy for decoupling activity and stability through multi-scale electronic regulation in acidic OER catalysis.

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