乔世璋/郑尧，Nature Catalysis！

第一作者：Hao Liu

通讯作者：郑尧, 乔世璋

通讯单位：澳大利亚阿德莱德大学

研究要点

本研究开发了一种钴掺杂二氧化钌（Co–RuO₂）阳极催化剂，并将其应用于质子交换膜水电解槽（图1），首次在工业级反渗透（RO）水中实现了长达2000小时的稳定高效运行，性能衰减率仅为10.2 µV h⁻¹。通过系统的原位表征与电化学分析，研究团队揭示了催化剂通过双重动态界面保护机制，协同抵御RO水中阴离子与阳离子杂质侵蚀的原理：钴位点可逆地选择性吸附氯离子，形成动态阴离子排斥层；而晶格应变的钌位点则在析氧反应中促进原位形成质子富集界面，有效阻隔阳离子向膜的迁移。这项工作为实现低成本、耐杂质、高效率的绿氢生产提供了一条切实可行的技术路径。

图1. 催化体系示意图

一、研究背景

质子交换膜水电解技术因其高电流密度、快速响应和紧凑结构，被认为是生产高纯绿氢最具前景的技术之一。然而，其长期稳定运行高度依赖于高纯度去离子水的供给，而超纯水的制备成本高昂，限制了该技术的大规模经济性应用。为降低原料水成本、拓宽水源，目光逐渐转向非理想水质，如海水淡化副产的反渗透水。

反渗透脱盐技术成熟、成本低廉（约0.57美元/吨），产水通量高，但其中残留的ppm级离子杂质（如Cl⁻, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺等）对PEM电解槽构成了严峻挑战（图2）。在酸性、高电位的工作环境下，氯离子可能被氧化为氯气或次氯酸，毒化贵金属催化剂活性位点；而阳离子则易渗透进入Nafion膜，占据质子传输通道，增加欧姆电阻。因此，开发能够耐受反渗透水中杂质离子的PEM电解槽催化剂与系统，是实现低成本绿氢规模化生产的关键。

图2. 工艺成本对比和可行性测试

二、研究思路

1. 催化剂设计与结构表征

研究团队采用阴离子交换与热解相结合的方法，成功合成了钴掺杂的二氧化钌催化剂。通过X射线衍射、高角环形暗场扫描透射电镜以及原子分辨率元素分布 mapping等表征手段，证实了钴以取代掺杂的形式进入RuO₂晶格，形成了具有明确金红石结构的超薄纳米片。拉曼光谱显示，钴的引入引起了RuO₂特征峰（E_g和A_1g模式）的明显位移和半高宽的增加，表明Co掺杂诱导了结构畸变，改变了Ru的电子性质，这为后续其独特的电化学行为奠定了基础。

2. 电化学性能与抗杂质机理

团队首先通过系统的电化学测试，优化了钴的掺杂比例，发现10%的钴掺杂展现出最佳的析氧反应活性与选择性。在含有氯离子的RO水中，Co–RuO₂催化剂几乎完全抑制了氯气析出副反应，其法拉第效率仅为0.5%，远低于未掺杂RuO₂的7.92%。这表明钴的引入有效阻断了氯离子在活性位点上的氧化路径（图3）。

为了探究其长期稳定性，研究进行了原位电感耦合等离子体质谱监测。有趣的是，在RO水中，钴和钌的溶解量反而低于在去离子水中的溶解量。进一步的机理研究表明，在RO水环境中，钴的高价态（Co⁴⁺）氧化过程受到抑制，催化剂表面主要以更稳定的Co³⁺物种存在，这解释了其在杂质水中溶解度降低、稳定性提升的原因。同时，原位表面增强红外光谱证实，在Co–RuO₂表面未检测到氯气析出反应的关键中间体OCl*，而在纯RuO₂上该信号明显，从分子层面验证了钴掺杂对氯离子毒化的有效抑制。

除了阴离子耐受性，催化剂对阳离子杂质的阻隔能力同样关键。研究通过原位膜电极组件尺度的红外光谱发现，在高电流密度析氧条件下，Co–RuO₂催化剂表面附近的水合氢离子浓度急剧升高，形成了一个局部的质子富集界面。这个动态的“质子缓冲层”有效竞争并占据了膜内的质子传输通道，从而抑制了Na⁺、Ca²⁺等杂质阳离子向膜内的迁移，维持了膜的质子电导率。控制实验也证实，在局部高质子浓度环境下，即使存在高浓度阳离子杂质，膜的导电性也能保持稳定。

图3. 电化学测试与稳定性来源

3. 实际电解槽性能与应用验证

基于上述优异的抗杂质性能，研究团队构建了以Co–RuO₂为阳极催化剂的PEM水电解槽，并使用RO水作为原料进行测试（图4）。在1.85 V电压下，电解槽达到了4 A cm⁻²的高电流密度，性能优于在超纯水中运行的商用IrO₂基准催化剂。更为突出的是，该电解槽在1.0 A cm⁻²的工业相关电流密度下，连续稳定运行了2000小时，衰减率仅为10.2 µV h⁻¹，且活性氯的生成可忽略不计。其长期运行稳定性远超大多数报道的钌基体系。

从技术经济性分析来看，由于省去了昂贵的超纯水制备环节，以及使用价格相对低廉的钌部分替代昂贵的铱，该系统的资本支出和运营成本均得到显著降低。为了验证该策略的普适性，研究团队还使用包括蒸馏水、淡化自来水、去矿物质水在内的五种代表性商业非纯水进行了测试。在所有水源中，电解槽均表现出与RO水相当的电压响应和稳定性，在1000小时测试中衰减率介于6.5-11 µV h⁻¹之间，充分证明了该双重保护机制对多种复杂水质环境的广泛适应性。

图4. 实际条件下的概念验证

三、小结

本研究成功开发了一种基于Co–RuO₂阳极催化剂的耐杂质PEM水电解策略，首次实现了在低成本反渗透水中长达2000小时的高效稳定制氢。其卓越性能源于催化剂独特的双重动态界面保护机制：钴位点通过电压依赖的可逆氯离子吸附，形成自适应静电屏蔽层，选择性抵御阴离子毒化；同时，应变激活的钌位点加速析氧反应并原位产生质子富集界面，动态阻隔阳离子对膜的侵害。这两种协同作用的自适应过程，在富含杂质的条件下同时保全了催化剂的活性和膜的质子电导率。

这项工作不仅为利用海水淡化等工业副产水进行低成本、分布式绿氢生产提供了切实可行的解决方案，更重要的是，它通过多层次的原位表征技术，从原子尺度到器件水平，清晰揭示了催化剂在复杂实际水质环境中抵抗离子杂质侵蚀的动态界面过程与微观机理，为未来设计面向实际应用场景的高稳健性电催化体系提供了全新的设计思路和坚实的科学基础。

原文详情：

Hao Liu, Xiaogang Sun, Fei-Yue Gao, Yao Zheng & Shi-Zhang Qiao. Cost-efficient and stable electrolysis of reverse osmosis water using a Co-RuO₂-enabled PEM electrolyser. Nature Catalysis (2026).

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01456-w