单原子贵金属催化剂具有良好的应用前景，但对其活性和稳定性的控制仍是一个具有挑战性的课题。酸性电解水的过电势主要来自于氧析出的阳极部分，而开发出高效廉价的酸性条件下的氧析出催化剂非常具有挑战性。氧析出（OER）常用的商用催化剂是IrO₂。与铱(Ir)相比，钌(Ru)地球储量更丰富，价格更廉价。然而，在强酸、强氧化性环境中，RuO₂在高的工作电位下极易被氧化为RuO₄，导致其失活。其中，Ru失活的最主要原因是RuO₂中的晶格氧参与了产物氧气的析出。因此，开发出一种高活性和高稳定的Ru单原子催化剂从而避免OER反应过程中催化剂晶格氧参与，是解决上述问题最有潜力的途径之一。

中国科学技术大学吴宇恩教授领导的团队利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了Ru单原子合金催化剂。首先，利用抗氧化能力和抗溶解能力强的Pt基合金为载体，通过酸刻蚀和电化学浸出的方法在合金表面制造出丰富的缺陷位用于稳定和捕获单原子Ru。进一步通过来自于Pt-skin壳体的压缩应力调控分散在金属载体上的单原子Ru的电子结构，优化Ru与含氧中间体的结合能力，从而使该Ru单原子合金催化剂在酸性OER中具有更好的活性、抗过氧化和抗溶解能力。在酸性OER中，该Ru单原子合金催化剂相对于商业Ru基催化剂的过电位降低了约30%，稳定性提高了约10倍。

中国科学技术大学李微雪教授团队为该工作提供了理论支持。通过密度泛函理论研究表明，Pt-skin壳的压缩应变调制了原子级分散的Ru的电子结构，优化了与氧中间体的成键强弱，得到了OER活性与合金基底晶格之间的火山曲线关系。电荷转移分析表明单原子Ru抗过氧化能力的提高主要来自于与其配位的PtCu合金，其金属性配位环境提供了丰富电子、阻止了活性组分Ru1的过渡氧化。

该工作为如何解决Ru基催化剂在酸性氧化性条件下不稳定这一难题提供了新的思路。研究成果以“Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis”为题，作为封面文章发表在《自然·催化》期刊上（Nat. Cat., 2019, 2, 304–313, DOI: 10.1038/s41929-019-0246-2）。

《自然·催化》封面文章：酸性电解液的环境中，在外加电位作用下，水分子吸附到活性位点单原子Ru上，在单原子Ru的催化下，电解水产生氧气。

（来源：中国科学技术大学）