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Engineering Lattice Distortion in Ruthenium Oxide Enables Robust Acidic Water Oxidation via Direct O–O Coupling

析氧 电催化剂 材料科学 氧化钌 电化学 电解水 阳极 电解 氧化物 催化作用 无机化学 化学物理 化学工程 电极 物理化学 电解质 化学 工程类 冶金 生物化学
作者
Yin’an Zhu,Fei Wu,Xiaozan Zhang,Yichao Lin,Linjuan Zhang,Ting‐Shan Chan,Qiuju Zhang,Liang Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (24): e2500449-e2500449 被引量:61
标识
DOI:10.1002/adma.202500449
摘要

Ruthenium is considered one of the most promising alternatives to iridium as an anode electrocatalyst for proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE). However, Ru-based electrocatalysts suffer from poor stability, primarily due to structural collapse under the harsh acidic conditions of oxygen evolution reaction (OER). Here, a design strategy is introduced that significantly enhances both the stability and activity of RuO2 by switching the catalytic mechanism from the adsorbate evolution mechanism (AEM) to the oxide pathway mechanism (OPM). This is achieved through lattice distortion engineering using a co-doping strategy involving large-radius ions (Na⁺ and Hf 4+). The incorporation of Na+ and Hf 4+ into RuO2 induces significant lattice distortion, shortening partial Ru─Ru bond distance and optimizing the electronic structure. This modification facilitates direct O-O radical coupling, as confirmed by in situ vibrational measurements and theoretical calculations. It can drive a current density of 1 A cm-2 in a PEMWE device at 60 °C with 1.646 V and operates stably for 85 h at 0.5 A cm-2. The present study highlights that optimizing the synergistic interaction between two adjacent Ru sites to promote direct O-O coupling is an effective strategy for enhancing the acidic OER performance of RuO2.
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