高效且可持续地制取氢气,是实现氢能推广应用的重要环节。由可再生能源发电驱动的质子交换膜（Proton Exchange Membrane,PEM）电解水是一种极具潜力的制氢策略。然而PEM电解水阳极析氧反应（Oxygen Evolution Reaction,OER）因涉及多电子转移而表现出高的反应势垒,同时电解过程中PEM上形成的局部酸性环境以及阳极高电位,将严重考验析氧催化剂的稳定性。因此,开发兼具高活性与稳定性的酸性OER催化剂可促进PEM电解技术发展。Ru、Ir及其金属氧化物是当下最主要的酸性析氧催化剂。然而Ru基催化剂稳定性差、Ir基催化剂活性欠佳成为各自发展的瓶颈。鉴于此,本论文通过设计核壳纳米结构和调控材料组分,分别优化Ir基催化剂OER活性及Ru基催化剂稳定性。主要研究内容如下:1.根据金属Ru与Ir升华热的差别,采用浸渍—热还原法制备了具有核壳结构的Ru@Ir-O纳米催化剂。该核壳结构由金属Ru核和微量O嵌入的Ir壳层构成,且O原子的嵌入导致Ir壳层的拉伸应变。X射线谱学分析表明Ru核与Ir壳层间存在电荷再分布。0.5 mol L-1 H2SO4中,Ru@Ir-O在10 m A cm-2下OER过电位仅238 m V,活性远优于商业IrO2;当电位为1.55 V时,其质量电流密度达1169.0 m A mg-1metal,为商业IrO2的78倍,转化频率达0.91 s-1,表现出优异的本征催化活性。理论计算发现,Ru@Ir-O中核壳相互作用和拉伸应变共同导致引起了表面Ir壳层电子富集和能带上移,优化了表面Ir位点对O*向HOO*中间物种转化的这一速控步的吸附能垒,从而提升了Ir的本征催化活性。2.通过配位组装辅以焙烧热解制备了均匀Ta掺杂RuO2纳米片催化剂。催化剂片层呈现褶皱形貌,且Ta原子被均匀引入纳米片中。电子结构表征表明Ta的掺杂降低了Ru活性中心附近的电子态密度且形成了Ru-O-Ta配位结构,有利于提升的活性及结构稳定。代表性的Ta0.1Ru0.9O2-x在0.5 mol L-1 H2SO4中,在10 m A cm-2时过电位仅为234 m V,远低于商业RuO2的过电位;当电位为1.55 V时,其质量电流密度及转化频率分别为商业RuO2的20.7倍和17倍,展现出极高的本征催化活性。同时Ta引入显著提高了催化剂的稳定性,在PEM电解池中以100 m A cm-2持续电解超过300 h而无明显衰减。