氢能是清洁、高效、可再生的二次能源，电解水制氢是实现绿色制氢和能源结构转型的重要途径。质子交换膜（PEM）电解水技术具有电流密度高、响应速度快、气体纯度高、可与波动性可再生能源直接耦合等优势，是大规模绿氢制备的关键技术之一。然而，其阳极析氧反应（OER）动力学缓慢，且需在强酸性、高电位的苛刻条件下运行，驱动反应需要额外的过电位，成为制约PEM电解水技术发展的核心瓶颈。在贵金属氧化物催化剂中，RuO2活性优于IrO2，但在高阳极电位下易因高价钌物种溶出而发生结构失稳；IrO2虽相对稳定，却受制于活性有限和成本高昂。因此，在保持高活性的同时实现长期稳定，是酸性OER催化剂设计面临的重大挑战。近年来兴起的二维亚稳相金属氧化物，凭借活性位点充分暴露、电子结构可调以及亚稳相表面反应活性高等特点，为解决上述难题提供了新思路。
近日，苏州大学邵琪教授、康振辉教授、刘阳教授联合厦门大学黄小青教授、德国马普所胡志伟教授，依托合肥光源红外谱学与显微成像线站（BL01B）发展的原位电化学红外光谱技术，在酸性电解水析氧催化剂研究中取得新进展。研究团队采用两步载气辅助熔融碱策略，成功制备出单层1T相二氧化钌（1T-RuO2）催化剂。结构表征表明，1T-RuO2属三方晶系（空间群P-3m1），钌呈D3d八面体配位，与常规金红石相RuO2（P42/mnm）中角共享与边共享混合的连接方式截然不同：1T-RuO2中相邻的[RuO6]八面体全部以共棱方式连接，使相邻八面体团簇间的钌4d轨道沿同一方向平行排列，为位点间电子传输构筑了高效通道。得益于这一独特的边共享结构，1T-RuO2在酸性OER中表现出优异的活性：在0.5 M H2SO4中，达到10 mA cm-2电流密度仅需77 mV过电位，起始过电位低至12 mV，比金红石相RuO2低268 mV；在1.50 V（vs. RHE）下，其质量活性高达3743.43 A g-1Ru，转化频率（TOF）达23.99 s-1，析氧法拉第效率最高可达97.3%，综合性能优于已报道的同类催化剂。
图1.单层1T-RuO2的形貌与原子结构表征
为厘清1T-RuO2高活性与高稳定性的来源，研究团队开展了系统的原位谱学研究。18O同位素标记的差分电化学质谱（DEMS）结果显示，反应生成的氧气主要来源于电解液中的水，晶格氧几乎不参与，表明该催化剂遵循吸附质演化机制（AEM），排除了晶格氧机制。在此基础上，团队利用合肥光源红外谱学与显微成像线站（BL01B）开展原位电化学衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）测量，实时捕捉催化剂/电解液界面上的反应中间体。随着外加电位升高，红外光谱中1029 cm-1处出现新的吸收峰，被指认为AEM路径中的关键中间体*O–OH；该峰强度随电位显著增强，表明反应过程中生成了大量关键中间体，进一步印证了AEM机制。与此同时，约3390 cm-1处出现对应吸附水O–H伸缩振动的宽峰，其强度随电位快速增加，说明界面氢键网络的形成有利于反应进行。上述原位红外光谱结果与理论计算相互印证，清晰刻画了1T-RuO2表面酸性析氧的反应路径，也凸显了同步辐射红外光谱在电催化固液界面中间体探测中的独特优势。
图2.原位同步辐射红外光谱（ATR-FTIR）与18O同位素标记质谱（DEMS）揭示1T-RuO2表面析氧反应的关键中间体
相关研究成果以“Edge-sharing RuO2 single layer for stable and low overpotential acidic water electrolysis”为题发表在国际著名学术期刊《Nature Nanotechnology》上。论文共同第一作者为朱文祥、周靖、马梦杰、刘恒劼。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02255-5
