近日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Journal of the American Chemical Society》以“Inhibiting Overoxidation of Dynamically Evolved RuO2 to Achieve a Win-Win Activity-Stability for Acidic Water Electrolysis”為題在線報(bào)道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)通過機(jī)器學(xué)習(xí)解析酸性分解水陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）中RuO2催化劑動(dòng)態(tài)演化過程的最新研究成果。該研究利用自主開發(fā)的主動(dòng)學(xué)習(xí)工作流程，解析了酸性OER中RuO2表面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化過程，建立了原位下結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性-活性關(guān)系，提出了“倒火山型曲線”的改性規(guī)則。該研究成果將為酸性OER中RuO2催化劑活性結(jié)構(gòu)的原位認(rèn)知和理性設(shè)計(jì)提供重要理論基礎(chǔ)，助力質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫目標(biāo)。
PEM水電解制氫因具備高電流密度、高效率和緊湊性的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)制氫領(lǐng)域極具潛力，但高效OER催化劑的缺失限制了其應(yīng)用。RuO2雖擁有出色的酸性OER活性且成本效益較高，然而其穩(wěn)定性不佳，在反應(yīng)條件下容易出現(xiàn)溶解和重構(gòu)的問題。為解決該問題，科學(xué)家嘗試了多種策略，如應(yīng)變/摻雜工程等。雖然相關(guān)策略取得了一定效果，但仍沒有統(tǒng)一的理論框架來理解和指導(dǎo)高穩(wěn)定性RuO2催化劑的設(shè)計(jì)。本質(zhì)上，RuO2的溶解和重構(gòu)不僅取決于RuO2本體結(jié)構(gòu)中Ru晶格的穩(wěn)定性，還取決于重構(gòu)后構(gòu)型的穩(wěn)定性和所施加的電位。因此，探索RuO2表面結(jié)構(gòu)在酸性OER環(huán)境下中的結(jié)構(gòu)和組成演化是解決RuO2基催化劑穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵所在。
有鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種主動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)工作流程，解析了酸性OER中RuO2催化劑表面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程。研究發(fā)現(xiàn)，少量Ru溶解會(huì)導(dǎo)致RuO5活性單元的扭曲，從而提升了OER提升活性，但其高電位下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊缘?span lang="EN-US" style="line-height:1.5em;">RuO4單元。基于動(dòng)態(tài)演化結(jié)構(gòu)的解析，為了增強(qiáng)高活性結(jié)構(gòu)的電壓容忍性，防止其過度演化，文章利用摻雜工程，理論發(fā)現(xiàn)了一種“倒火山型曲線”的改性規(guī)則，提出了Na、Ta等元素對(duì)RuO2催化劑穩(wěn)定性及活性的提升作用，為實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的RuO2基催化劑及解析實(shí)驗(yàn)上不同摻雜金屬穩(wěn)定RuO2催化劑作用提供了統(tǒng)一理論框架。基于理論結(jié)果，團(tuán)隊(duì)通過熔鹽法定向合成了Na摻雜RuO2催化劑，驗(yàn)證了“倒火山型曲線”的有效性，在10 mA cm-2電位測(cè)試下能運(yùn)行超過1800 h，并在PEM水電解槽中穩(wěn)定運(yùn)行，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)理論工作增進(jìn)了對(duì)酸性OER中RuO2催化劑原位結(jié)構(gòu)演變的認(rèn)知，為高效、穩(wěn)定的RuO2基催化劑設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生李文婧、樓振鑫和化學(xué)院博士研究生陳鼎銘在袁海洋副教授、侯宇教授、楊化桂教授、王海豐教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目計(jì)劃的支持。
文獻(xiàn)鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c18300