利用可再生能源提供動力的水電解制氫(H₂)是一種在滿足能源需求的同時減少碳排放的可持續方法。在現有的水電解槽中，質子交換膜水電解槽(PEMWE)具有反應器設計緊湊、操作電流密度高、響應速度快等優點。然而，陽極析氧反應(OER)催化劑在酸性腐蝕條件下易于在高氧化電位下失活，這極大地限制了PEMWE的廣泛應用。

銥(Ir)及其衍生物在酸性條件下表現出良好的OER穩定性，但Ir基PEMWEs的大規模應用在很大程度上受到其高成本的阻礙。二氧化釕(RuO₂)是最有前景的Ir基催化劑的替代品。但是，RuO₂的欠配位晶格O容易發生過氧化，在高氧化電位下形成O空位，O空位附近的Ru原子被氧化成可溶性的高價衍生物，導致RuO₂晶體結構崩潰，穩定性變差。因此，有必要開發合理的策略來提高RuO₂的穩定性。

近日，阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)盧旭課題組首先采用密度泛函理論(DFT)揭示了酸性OER過程中RuO₂的失活機理，認為由于不飽和配位，RuO₂晶粒邊緣的晶格O原子比晶面上的O原子更容易發生過氧化。在密度泛函理論的指導下，研究人員設計了一種氧陰離子保護策略，通過在RuO₂表面形成配位飽和的晶格O來阻止V_O的形成。

具體而言，根據各種金屬離子與RuO₂配位時與陰離子的結合能，研究人員篩選出鋇(Ba)錨定的硫酸鹽來保護晶格O，同時摻入W來降低OER過電位。結果表明，所制備的Ba_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2-δ催化劑在0.5 M H₂SO₄中電流密度為10 mA cm^?2時的過電位為206 mV，穩定運行超過1000 h，明顯優于商業RuO₂。

隨后，研究人員通過密度泛函理論(DFT)計算和一系列原位譜對酸性OER性能的提高進行了研究，確定了(1) Ba在催化劑表面穩定硫酸根，(2)硫酸根(由Ba錨定)在防止晶格O過度氧化的同時削弱含氧中間體的吸附能并改變速率控制步驟(RDS)，以及(3)W在促進RDS，即化學吸附水解離生成*OH方面的作用。

因此，Ba錨定的硫酸鹽對晶格O的保護和W在降低過電位中的作用共同導致了優異的酸性OER穩定性。值得注意的是，利用Ba_0.3(SO₄)_δW_0.2Ru_0.5O_2-δ催化劑組裝的PEMWE在0.5 M H₂SO₄中，在500 mA cm^-2的電流密度下連續穩定運行300小時，證明了所提出的RuO₂穩定策略在實際應用中的有效性。

Stabilizing ruthenium dioxide with cation-anchored sulfate for durable oxygen evolution in proton-exchange membrane water electrolyzers. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43977-7