具有高效三相反应界面的介孔氧化铑钛固溶体用于水电解

把水变成燃料

氢气常被吹捧为未来的清洁燃料，但高效且经济地生产它仍是一个重大挑战。质子交换膜水电解是最有前途的方法之一，能够利用可再生电力产生非常纯净的氢气。然而，这项技术的核心——帮助将水分解成氢和氧的催化剂——在工业运行所需的苛刻酸性条件下往往会退化。本研究提出了一种新的铑–钛氧化物材料，在高功率下能稳定工作数百小时，显示出更实用的大规模绿色氢气生产的潜力。

为何现有催化剂不尽如人意

在当今最好的商业系统中，产生氧的一侧高度依赖铱——地球上最稀有且最昂贵的金属之一。理论上铑基材料可与铱的性能相媲美，但它们通常存在致命缺陷：在实现工业电流密度所需的高电压下，铑容易过度氧化、溶解到液相中并失去结构。同时，氧气气泡会在催化剂表面聚集，阻挡新鲜水到达活性位点，进一步加剧材料的应力和退化。作者认为，解决这一问题不仅需要调整活性原子的化学性质，还必须工程化固体催化剂、液态水和氧气三者相接触的界面。

从底层构建更好的催化剂

为同时解决这两类问题，研究者设计了一种具有高度有序海绵状构架的铑–钛氧化物“固溶体”。通过定制的自组装工艺，他们制备出由径向对齐的纳米棒束组成的纳米球，这些纳米棒包含均匀的介孔——约九纳米宽的微小通道。在原子尺度上，铑原子分散在金红石型钛氧化物晶格中，形成连续的Ru–O–Ti键合，而不是单独的铑团簇。这种排列将原本半导体性质的钛氧化物转变为导电网络，使电子易于移动，并有助于稳定铑，防止其过度氧化。

充分利用三相界面

颗粒的特殊形貌不仅视觉上引人注目，它对材料的工作原理也至关重要。径向对齐的孔道能快速引水并向液相暴露大量内部表面。测量显示，水能够瞬间在催化剂表面展开，而氧气泡几乎不粘附，能以极小的力脱落。换句话说，表面对水高度亲水，但能强烈排斥气泡。经精心调控的气–液–固界面在高电流密度驱动下仍能保持新鲜反应物的流入和产物的排出，这对工业设备至关重要。

引导反应走更温和的路径

除了结构方面，团队还探查了催化剂实际执行析氧反应的方式。利用先进的X射线和质谱技术在工作条件下跟踪铑的氧化态以及释放气体中氧原子的来源。他们发现，即便在高电压下，铑的价态仅是适度上升并随后趋于平台，而不是攀升到导致溶解的范围。 同位素标记实验表明，产气中大部分氧来自水，而不是来自晶格本身，这意味着催化剂避免了更具破坏性的“晶格氧”路径。计算结果支持一种优选反应途径：氧原子在表面通过Ru–O–Ti构型偶联，而不是从固体框架中被拉出。

从实验室概念到器件性能

当集成进完整的质子交换膜电解槽时，这种介孔铑–钛氧化物阳极展现出工业相关的性能：在相对较低的铑负载下，它能在1安/平方厘米的电流密度下稳定运行超过450小时，电压漂移极小。与商用二氧化铑相比，它在更低电压下工作且降解速率明显更慢。对于在如此苛刻酸性条件下的非铱催化剂，这种效率与寿命的组合极为罕见。

这对清洁氢气意味着什么

简单来说，研究表明跨尺度的精心设计——从单个原子如何共享电子到孔道如何引导水并释放气泡——可以将一种脆弱的金属氧化物转变为耐用的水分解主力。通过将铑融入钛氧化物骨架并将其塑造成高度易润湿且能迅速脱泡的结构，作者创造了一种能高效生成氧且不自我破坏的催化剂。如果此类材料能以经济方式放大生产，它们有望减少对铱的依赖、降低成本，并将大规模绿色氢气生产更接近日常现实。

引用: Zhang, JY., Yue, K., Zhao, Y. et al. Mesoporous ruthenium titanium oxide solid solution with efficient three phase reaction interface for water electrolysis. Nat Commun 17, 3752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70502-3

关键词: 绿色氢气, 水电解, 铑基催化剂, 质子交换膜, 析氧反应