近日，北京化工大学材料科学与工程学院王峰教授、张正平教授团队在《Angewandte Chemie》上发表了题为“Insulator-transition-induced Degradation of Pyrochlore Ruthenates in Electrocatalytic Oxygen Evolution and Stabilization through Doping”的研究论文，该论文阐明了钌基烧绿石氧化物在电催化氧析出过程中的结构重构行为，揭示了其性能衰退机理，并提出了应对失效的稳定化策略，对于未来析氧电催化剂的设计具有重要作用。
钌酸钇（Y2Ru2O7-δ, YRO）是一类具有良好应用前景的氧析出（oxygen evolution reaction, OER）电催化剂，然而，尽管YRO中[RuO6]八面体的畸变和独特的能级分裂可以避免在其OER过程中形成可溶性高价态钌氧化物，但其OER耐久性仍然差强人意，其中，阻碍其耐久性提升的核心问题在于其电化学行为和结构稳定性之间的关系尚未揭示，导致其电催化过程中出现的断崖式性能衰减现象的机理尚未明确。
此项研究工作从电化学性能、材料结构和活性位电子组态等多个层面揭示了钌酸钇在催化氧析出过程中的性能衰减机制。结合非原位物理表征和理论计算，钌酸钇表现出的断崖式性能衰减行为是材料本身发生了绝缘体转变导致的，而引发这种电特性突变的原因来自其在催化过程中由原子重排引起的晶格收缩，也伴随着表面重构和金属阳离子的溶解。为了缓解这种结构变化，文章进一步提出了Ir稳定化策略，所制备的Y2Ru2-xIrxO7-δ（YRIO）中[ RuO6 ]和[ IrO6 ]之间的双电子交换作用使得活性位的自旋构型得到调整，在以Ru 4d 3(eg'↑↑ a1g↑ eg0)和Ir 5d6(eg'↑↓↑↓ a1g↑↓ eg0)为中心的新形成的八面体中，均匀的电子分布可以避免Ru 4d4(eg'↑↓↑ a1g↑↓ eg0)从激发态到基态（Ru 4d4(eg'↑↓↑↓ a1g0 eg0)，绝缘态)的转变，稳定的原子状态也可以改变表面重构、抑制金属阳离子的溶解。使用Y2Ru2-xIrxO7-δ作为阳极催化剂组装的质子交换膜电解槽能够在0.1 A cm-2下稳定运行超过120小时，验证了Ir稳定化策略的有效性。本研究揭示了OER催化剂的失效机理，并为Ru基OER电催化剂相关稳定化材料设计奠定了基础。
北京化工大学材料科学与工程学院刘彤彤博士为论文第一作者，王峰教授、张正平教授为本论文的共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。
论文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202412139
