中国香港理工大学倪萌团队：精准构筑电子缓冲的IrRu双单原子对，实现酸性OER中高催化活性与稳定性

物质科学

由中国香港理工大学倪萌教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“Coupling electron-buffered dual single-atom pairs to unlock exceptional industrial-grade PEM water electrolysis”的研究论文。针对酸性析氧反应（OER）中贵金属催化剂活性与稳定性难以兼得、且贵金属用量居高不下的瓶颈，该研究创新性地提出超快闪速焦耳热合成策略，在尖晶石Co3O4载体中精准构筑了Ir-Ru双单原子对，实现了两种贵金属原子在相邻位点上的原子级分散与锚定。

进一步，研究团队揭示了这一结构中独特的“电子缓冲”效应，电子通过桥接氧从Ir转移到Ru，使Ir保持高催化活性，同时抑制Ru的过度氧化与溶解，从而实现高活性高稳定性。这一设计使得催化剂以极低的贵金属载量，在工业级大电流密度下展现出卓越的长期运行稳定性，为开发低成本、高效率的PEM水电解制氢技术提供了崭新的科学思路和可行的技术路径。

第一作者：袁佳欣

通讯作者：倪萌

单位：香港理工大学

研究亮点

通过超快闪速焦耳热策略，实现尖晶石Co3O4负载超低载量Ir-Ru双单原子的精准构筑；

构筑了独特的电子缓冲单原子对，在强酸性OER中展现出优异的催化活性与稳定性；

阐明了非对称Ir-O-Ru活性位点引发的直接*O-*O自由基偶联路径，显著降低了反应动力学能垒；

组装的PEM水电解槽在2.0 A cm−2的工业级高电流密度下稳定运行达1,000小时，表现出优秀的工业级耐久性。

研究背景

质子交换膜水电解（PEMWE）技术由于具有高电流密度、高产氢纯度以及快速响应等优势，被视为绿色氢能规模化制备的核心。然而，PEMWE的阳极析氧反应（OER）处于极具腐蚀性的强酸与高氧化电位环境，这使得OER催化剂依赖稀缺且昂贵的贵金属铱（Ir）。为了降低材料成本并提升催化效率，开发低贵金属载量或引入高内在活性钌（Ru）基组分的催化体系成为当前的研究热点。

尽管单原子催化剂能够实现原子利用率最大化，但在工业级大电流密度运行的苛刻条件下，孤立的金属单原子由于高的表面自由能，极易发生迁移、团聚或酸性溶解。特别是高活性的Ru物种，在阳极高电位下容易被过度氧化为可溶性的RuO4导致快速流失。如何通过原子尺度的局域结构调控，在显著降低贵金属载量的同时，破解活性位点在强酸大电流下易氧化溶解的技术瓶颈，是实现PEM工业化应用亟待解决的科学难题。

成果简介

要点一：闪速焦耳热构筑IrRu双单原子对

作者采用电化学沉积结合超快闪速焦耳热（FJH）技术，利用瞬时高温和快速淬冷效应，成功在Co3O4基底上构筑了原子级分散的Ir-Ru双位点。XRD，FESEM，HRTEM，EDX表征证实，Ir和Ru均匀分布在结晶良好的Co3O4纳米片上，未出现任何单质。ACHAADFSTEM结果分析进一步表明，IrRu以原子对形式嵌入Co3O4晶格，实现了活性中心在原子尺度上的稳定分布。

图1 IrRu/Co3O4电催化剂的合成策略。

图2 IrRu/Co3O4的形貌与晶格结构表征。

要点二：电子缓冲效应提升催化活性和稳定性

作者基于XPS结果分析得出Ir和Ru之间通过桥氧键连接，形成独特的非对称Ir-O-Ru结构，相邻位点间产生了显著的电荷重新分布。XANES结果进一步证实了Ir-O-Ru桥接氧配位，电子通过桥接氧从Ir向Ru转移，形成独特的“电子缓冲”机制，促使Ir处于高价态以激发活性，同时Ru接受电子避免被过度氧化溶解。这种局域电子环境的优化，使催化剂在酸性环境下表现出优异的抗腐蚀能力。

在0.5 M硫酸电解液中，IrRu/Co3O4催化剂展现出优异的催化活性。在10 mA cm−2的电流密度下，其过电位仅为180 mV，显著优于IrO2和RuO2。在1.48 V电位下，该催化剂展现出超高的质量活性和转化频率。在稳定性测试下，稳定运行100小时且无明显的电压衰减，展现出优越的稳定性。

图3 IrRu/Co3O4的电子结构与配位环境。

图4 IrRu/Co3O4酸性析氧反应的电催化性能。

要点三：直接*O-*O偶联路径加速反应动力学

原位拉曼及同位素标记质谱分析表明，该催化体系避开了传统的吸附质演变机制（AEM）与晶格氧机制（LOM）。理论计算确证，非对称双位点促使相邻氧自由基直接发生*O-*O偶联（OPM机制），绕过了常规反应路径的标度关系限制，显著降低了动力学能垒。

图5 IrRu/Co3O4电催化剂酸性OER反应机理的实验验证与密度泛函理论计算。

要点四：卓越的电催化性能与工业应用前景

作者为了评估IrRu/Co3O4催化剂在PEMWE中的实际适用性，将IrRu/Co3O4作为阳极、商业Pt/C作为阴极制备了膜电极组件。电流-电压（I-V）极化曲线显示，相比于Pt/C||RuO2和Pt/C||IrO2，Pt/C||IrRu/Co3O4电解槽催化活性表现出了显著增强。仅需2.09 V的电压，基于IrRu/Co3O4的电解槽即可提供2.0 A cm−2的电流密度，远远优于RuO2和IrO2。且在该工业级电流密度下，该催化剂表现出卓越的稳定性，连续运行超过1000小时，衰减率仅为0.028 mV h−1。相较于商业IrO2，其制氢成本显著降低，展示了极佳的工业化应用潜力。

图6 IrRu/Co3O4的质子交换膜水电解槽性能测试。

小结

该工作通过精准构筑电子缓冲的IrRu双单原子对，实现了酸性OER中高催化活性与稳定性，为低贵金属催化剂的设计提供了灵感。这一策略不仅推动了PEM水电解技术的工业化进程，也为原子级催化中心的局域电子调控提供了重要的科学依据。

作者介绍

袁佳欣

博士研究生

袁佳欣，香港理工大学在读博士生，硕士毕业于浙江大学。研究方向聚焦于电解水催化制氢技术研究，主要包括析氢反应（HER）和酸性析氧反应（OER）电催化剂的设计与开发、以及质子交换膜水电解（PEMWE）装置的系统集成。截至目前，已发表SCI论文11篇，并以第一作者在Joule, Nano-Micro Letters, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A等国际高水平期刊发表多项研究成果。

倪萌

讲座教授

倪萌，香港理工大学建筑环境与能源工程学系讲座教授，系主任，建设及环境学院副院长，德国洪堡学者，香港研究资助局（RGC）高级研究学者，长期致力于燃料电池、氢能、可充电金属空气电池的研究。曾任Science Bulletin副主编并连续两年获评最佳副主编，现任Energy Reviews联合主编、Sustainable Energy Technologies and Assessments暂任主编以及The Canadian Journal of Chemical Engineering等期刊副主编。以通讯作者身份在Joule, Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials, Energy &Environmental Science，Angewandte Chemie International Edition等学术刊物上发表论文400余篇，H因子79。

相关论文信息

原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Joule

▌论文标题：

Coupling electron-buffered dual single-atom pairs to unlock exceptional industrial-grade PEM water electrolysis

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435126001091

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102425

原标题：《香港理工大学倪萌团队Joule：精准构筑电子缓冲的IrRu双单原子对，实现酸性OER中高催化活性与稳定性 | Cell Press论文速递》

阅读原文