高压制备优异电催化材料并突破实现“一材双效” | 进展

来源：中科院物理所

氢能是推动未来能源体系转型和实现“双碳”目标的关键，而高效、稳定的催化是实现氢能转化突破的核心。理想的催化材料不仅需要相对稳定的晶格骨架，还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Aʹ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，从而展现出优异的电催化性能。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M08组龙有文研究员团队，在此前的工作中[Chem. Mater. 33,9295 (2021)]，发现CaCu3Ir4O12具有优异的电催化性能，并提出Aʹ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成功制备了新型A位有序四重钙钛氧化物CaCu3Co2Ru2O12 (CCCRO)。电化学测试表明，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，显著优于商业RuO2 (~300 mV)；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 (~35 mV)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表明，在析氧条件下，Cu、Co与Ru之间的三金属电子协同作用优化了局域电子态，同时保持稳定的钙钛矿骨架；而在析氢条件下，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，进一步增强电子和表面活性位点的耦合。正是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罕见实现了阴、阳两极的“一材双效”高性能，有望突破实际应用中对高效、低成本且长期稳定催化剂的迫切需求，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重要思路。

CCCRO电催化性能展示。(a) CCCRO与同类、商业催化剂的阴、阳极电极化比较曲线；(b)与已报道高活性水全分解催化剂在电流密度10 mA·cm-2下的过电位对比。

相关研究成果已先后发表在Advanced Energy Materials 15,2404599 (2025)和InfoMat e70053 (2025)。中国科学院上海应用物理研究所博士生樊亚磊和物理所博士后叶旭斌为共同第一作者。物理所龙有文研究员、德国马普所Z. W. Hu博士和应物所张林娟研究员为通讯作者。该工作受到了中国科学院先导专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后基金等项目的支持。