中国科学院物理研究所研究制备出优异电催化材料实现“一材双效”

高效稳定的催化是实现氢能转化突破的核心。理想的催化材料需要相对稳定的晶格骨架，应具备灵活的价态调控能力。超常规高压制备的AA′3B4O12型A位有序四重钙钛矿氧化物，其A？位和B位可同时容纳易变价过渡金属离子，可在多格点之间形成强协同效应，实现价态调控、电子态耦合与晶格有序的有机结合，展现出良好的电催化性能。

此前，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心龙有文团队发现CaCu3Ir4O12具有优异的电催化性能，并提出A？位Cu与B位Ir协同增强电荷传输的新型催化机制。基于此，团队近期利用高温高压技术，制备出新型A位有序四重钙钛氧化物CaCu3Co2Ru2O12 (CCCRO)。

电化学测试显示，CCCRO在碱性电解液氧析出反应电流密度达到10mA cm-2时所需过电位仅为198 mV，优于商业RuO2；在析氢反应中达到10 mA cm-2电流密度所需过电位为46 mV，与商业Pt/C接近；在工业级电流密度100 mA cm-2下，CCCRO可连续运行超过500小时不衰减，具有很好的稳定性。原位X射线吸收谱与第一性原理计算结果显示，在析氧条件下，Cu、Co与Ru之间的三金属电子协同作用，可优化局域电子态，保持稳定的钙钛矿骨架；在析氢条件下，材料发生反应驱动的表面重构，自发形成Cu–Co–Ru合金纳米活性相，可增强电子和表面活性位点的耦合。

这种电子协同与结构演变的耦合机制，使CCCRO单相材料在全解水反应中实现了阴、阳两极的“一材双效”高性能，有望突破实际应用对高效、低成本且长期稳定催化剂的需求，并为优异低浓度贵金属催化剂的设计、机理与应用研究提供了新思路。

相关研究成果发表在Advanced Energy Materials和InfoMat上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。