利用间歇式可再生能源驱动的质子交换膜水电解槽(PEMWes)因其具有高效、安全的特点，在绿色制氢方面引起了广泛关注。然而，阳极析氧反应(OER)涉及迟缓的四电子转移动力学和热力学上坡过程，实现PEMWs大规模应用需要开发高性能和低成本的催化剂。综合考虑价格、丰度和活性，RuO2基催化剂是PEMWEs阳极催化剂的最佳选择。但是，OER反应过程中催化中心的氧化会导致高价钌(RuO42−和RuO4)的形成和溶解，并引起晶格氧的参与。活性位点的损失和晶体结构的改变都导致RuO2的快速失活。
迄今为止，几乎没有工作开发出同时抑制Ru物种的失活和提高效能的RuO2纳米微反应器；另一方面，建立合适的反应器有利于提高原子利用率，以及传质和气体释放，从而保持催化剂的高效和稳定运行。因此，这种电子结构和微结构的一体化设计对于PEMWes的实际应用是非常理想的，但在精细结构-活性关系的设计、合成和分析方面仍具有挑战性。
近日，武汉理工大学木士春课题组使用液态熔盐触发Ru电子特性和局部微环境的双重调制，并构建了以RuO2纳米晶为基体的纳米反应器(MD-RuO2-BN)。透过三维断层重建技术，由超细RuO2纳米单体组成的纳米反应器呈现双连续结构，不但提供丰富的催化活性中心和反应区域，而且通过空穴限制效应增加质量和电子转移。
此外，RuO2颗粒中存在空位和晶界等多尺度缺陷，这些缺陷改变了Ru的局域电子结构和配位环境，进而削弱了Ru-O相互作用，抑制了晶格氧的氧化和高价Ru的溶解。
因此，在酸性条件下，MD-RuO2-BN纳米反应器在10 mA cm−2电流密度下的OER过电位为196 mV，并且在连续电解24小时过程中仅出现29 mV的过电位增加。
研究人员将MD-RuO2-BN作为阳极组装到MD-RuO2-BN||Pt/C电解槽中，该电解槽仅需1.465 V的电压就能产生10 mA cm−2的电流密度；同时利用该纳米反应器组装的PEMWE达到1 A cm−2电流密度所需的电压仅为1.64 V，并且在1 A cm−2下连续电解50小时后，阳极上的MD-RuO2-BN催化层没有脱落，催化层和膜结构保存完好。
总的来说，该项工作为设计和合成具有丰富纳米反应器的高效、稳定的Ru基催化剂提供了一个可行的思路，为PEMWEs的实际应用奠定了基础。
Bicontinuous RuO2 nanoreactors for acidic water oxidation. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48372-4
