近日，西南石油大学陈鑫教授课题组与中国科学技术大学开展联合研究，在酸性析氧反应（OER）的催化剂性能提升及反应机制研究方面取得重要进展。该研究通过4f 轨道诱导的极性调制，结合 Bader 电荷计算、sXAS 光谱及原位表征，建立了Ru-O 极性作为酸性 OER 的描述符，揭示了其通过优化中间体吸附、抑制晶格氧过度参与的双重机制，为 Ru 基催化剂的理性设计提供了新范式。相关研究成果以“4f-modified Ru-O polarity as a descriptor for efficient electrocatalytic acidic oxygen evolution”为题，发表在《Nature Communications》（《自然·通讯》）上。文章通讯作者为西南石油大学陈鑫教授，中国科学技术大学程位仁、王超、刘庆华研究员。

质子交换膜水电解（PEMWE）中OER催化剂的开发面临催化剂活性、稳定性和成本高昂等多重挑战。尽管Ru基催化剂展现出潜力，但其过度氧化和稳定性不足的问题尚待解决。现有改性策略在高负荷条件下表现有限，因此探索新策略以提升催化剂性能至关重要。稀土元素的4f轨道修饰提供了一种新颖的方法，可通过调控电子结构和极性，改善Ru基催化剂的活性和稳定性，为解决PEMWE中的OER挑战提供潜在解决方案。

图1. 催化剂的合成与表征

图1介绍了4f-Nd-RuO₂纳米催化剂的三步制备过程及其结构特性：通过氢气退火、空气退火和盐酸处理，获得均匀分布、粒径约3.9 nm的高结晶度纳米颗粒，且Nd掺入未破坏RuO₂晶体结构。结果表明，该制备方法高效可行，Nd的引入和4f轨道改性策略有效，为催化剂的高活性和稳定性奠定了基础。

图2. 催化剂的电子结构

图2研究了4f-Nd-RuO₂催化剂的电子结构，通过XPS、XANES、fT-EXAfS和WT-EXAfS等技术分析，揭示了Nd掺入对电子结构的影响。Nd的掺入通过强电子相互作用改变了Ru的电子云分布和氧化态，优化了Ru-O键结构。XPS显示Ru 3d信号向低结合能移动，Nd 3d_5/2峰与O KLL峰重叠，EPR证实无氧空位。XANES和EXAFS分析表明Ru的氧化态降低，Ru-O键长略长于n-RuO₂，Nd-O键增强。这些变化通过调控电子结构和优化Ru-O键，提升了催化性能。

图3. 三电极体系中的电催化析氧反应（OER）

图3展示了4f-Nd-RuO₂在酸性OER中的优异性能：过电位低（214 mV），Tafel斜率小（62 mV dec^-1），电荷转移快，活性位点多（C_dl为36.0 mF cm^-2），本征活性高（MA为580 A g_Ru^-1，TOF为546 h^-1），且稳定性强（40小时运行电位仅增加68 mV），Ru溶解少（接近商业IrO₂水平）。这些优异性能源于Nd调控的Ru-O键优化和电子结构调控，显著降低反应能垒，适用于质子交换膜水电解中的实际应用。

图4. Ru-O 极性分析

图4研究了4f-Nd-RuO₂催化剂的Ru-O极性及其与OER性能的关系。通过Bader电荷计算、O K-edge XAS光谱、原位SR-fTIR和原位XAFS等手段，揭示了Ru-O极性的电子结构特征及其对OER活性的影响。研究发现，Ru-O极性与OER活性呈火山型关系，适中的极性最优，4f-Nd-RuO₂表现出最高活性。同时，该材料通过AEM路径进行OER，且4f修饰显著增强了催化剂的稳定性，抑制了Ru的过度氧化。

图5. 质子交换膜电解槽中的电催化OER

图5表明，4f-Nd-RuO₂作为阳极催化剂在PEM电解槽中展现出优异的催化活性和电解性能，显著优于其他RuO₂催化剂。该材料在长时间运行中表现出卓越的电化学稳定性，显示出在实际PEM电解水系统中的广阔应用前景。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62258-z