质子交换膜水电解技术作为规模化制氢产业的核心，其实际应用严重受限于阳极析氧反应催化剂的高成本与低稳定性。针对贵金属在高电位下易溶解以及地壳丰度极低的双重严峻障碍，香港理工大学建筑环境及能源工程学系的倪萌教授团队提出创新策略，通过闪速焦耳热技术在尖晶石四氧化三钴氧化物中构筑Ir-Ru双单原子对，其独特的“电子缓冲”机制实现了高活性与极强稳定性的平衡。2026年4月10日，相关成果以“Coupling Electron-Buffered Dual Single-Atom Pairs to Unlock Exceptional Industrial-Grade PEM Water Electrolysis”为题发表在Joule期刊上。论文通讯作者是倪萌教授，第一作者是袁佳欣。

研究背景

质子交换膜水电解槽（PEMWE）的商业化长期受制于阳极酸性析氧反应（OER）的迟缓动力学，以及传统贵金属催化剂（昂贵稀缺的Ir与高活性但极易溶解的Ru）在严苛高电位下难以兼顾活性与稳定性的技术瓶颈。尽管近年来单原子催化剂因能提高原子利用率而备受关注，但其孤立的金属中心在长期苛刻工况下易发生迁移溶解，且难以全面优化多中间体复杂反应的结合能。为突破这一固有局限，研究团队提出了双单原子对工程，旨在利用相邻双金属位点间强烈的协同电子相互作用来增强结构稳定性并优化反应路径。针对传统缓慢高温煅烧极易导致金属原子迁移团聚的合成壁垒，团队创新性地引入闪速焦耳热技术，凭借瞬间加热与急速淬火的动力学捕获机制，切断了原子的长程迁移路径，成功将Ir和Ru双原子对精准、牢固地锚定在尖晶石四氧化三钴（Co₃O₄）载体中。

图1：IrRu/Co₃O₄电催化剂的合成策略。

研究团队采用闪速焦耳热技术，在极短时间内将Ir和Ru以孤立的双单原子对形式锚定在Co₃O₄晶格中。

图2：IrRu/Co₃O₄的形貌与晶格结构表征。

通过XRD、SEM与HRTEM等系列表征证实，Ir和Ru成功掺入超薄尖晶石Co₃O₄纳米片的晶格中，且体系内未形成任何金属团聚相。进一步结合AC-HAADF-STEM与EELS等原子级高分辨表征，证明了Ir和Ru的原子级分散，成功构建了Ir-Ru双原子位点结构。

图3：IrRu/Co₃O₄的电子结构与配位环境。

XPS和XAS深入分析揭示，局域电子通过桥接氧从Ir向Ru发生显著转移。这种独特的“电子缓冲”机制不仅使Ir维持在较高价态,保持高的催化活性，更有效抑制了Ru的过度氧化，从根本上提高了活性位点的稳定性。

图4：IrRu/Co₃O₄酸性析氧反应的电催化性能。

在酸性电解液中，制备的IrRu/Co₃O₄催化剂展现出优异的催化活性。在10 mA cm^-2的电流密度下，其过电位仅为180 mV，显著优于商业化对照组。在1.48 V电位下，该催化剂质量活性达到10680 A g^-1，并实现了3.95 s^-1的转化频率。

图5：IrRu/Co₃O₄电催化剂酸性OER反应机理的实验验证与密度泛函理论计算。

原位红外电化学质谱与密度泛函理论计算证实，Ir-Ru双位点直接促进了氧中间体*O-*O的偶联，反应遵循高效的氧化物路径机制（OPM），打破了传统吸附演化机制（AEM）的线性比例限制。

图6：IrRu/Co₃O₄的质子交换膜水电解槽性能测试。

在实际PEMWE电池测试中，该催化剂在2.0 A cm^-2的工业级大电流密度下稳定运行1000小时，电压衰减率极低。并且其贵金属成本较商业IrO₂实现了数量级的显著降低。

研究意义

综上所述，该研究利用闪速焦耳热技术精准构筑了Ir-Ru双单原子位点，凭借独特的“电子缓冲”效应与OPM机制，实现了酸性OER反应中高活性与强耐久性的有效平衡。并且，在极低的贵金属载量下，该催化剂助力PEMWE器件在工业级大电流（2 A cm^-2）下实现了超千小时的稳定运行，为面向实际规模化应用的高效单原子电催化剂设计提供了合理策略。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102425