近日，我校材料学院包海峰教授课题组在《Nature Communications》上发表了题为“Orbital-level band gap engineering of RuO₂ for enhanced acidic water oxidation”的研究成果(论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60083-y)。该研究通过在RuO₂中掺杂p轨道原子（N, P, S, Se）来精确调节晶格氧介导机理-氧空位机理途径，并提出了一种具有代表性的策略。原位和非原位测量以及理论计算证明，在析氧反应过程中，Se掺杂可以动态调节Ru-e_g和O-p轨道之间的带隙。这种调节加速了电子向外部电路的扩散，促进了晶格氧介导的过程，并提高了催化活性。此外，它还有利于电子反馈并稳定氧空位，从而促进氧空位位点机理过程，并提高催化稳定性。所制备的Se-RuO_x催化剂在工业条件下实现了质子交换膜水电解槽的高效性能，其最小电荷过电位为1.67 V，电流密度为1 A cm^-2，并可保持超过1000小时的长期可循环性。该研究为指导高性能金属氧化物催化剂的未来开发提供了一种独特方法。

图1. a）与b）为RuO₂和R-RuO_x （R=N, P, S, Se）XRD分析图谱

上述研究中，分析测试中心光谱分析室的熊重铎老师负责的电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）与微区结构分析室刘英老师负责的X射线衍射系统（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）主要承担了该高性能金属氧化物催化剂的元素成分、物相组成与氧空位含量的测试表征。

 图1为制备的RuO₂和R-RuO_x （R=N, P, S, Se）催化剂的XRD物相分析图谱。如图1a、b所示，所有样品的XRD图谱均显示出与RuO₂标准卡片（JCPDS No.40-1290）完全一致的衍射峰。值得注意的是，当引入R元素（R=N、P、S或Se）后，R-RuO_x材料的衍射峰位置相较于纯RuO₂均向低角度方向偏移，且未出现其它杂相衍射峰。这表明N、P、S或Se元素成功掺杂到RuO₂晶格中，且未破坏原有晶体结构。

图2. a）与b）为V_O-RuO₂和V_O-R-RuO_x （R=N, P, S, Se）XPS分析图谱

图2为制备的RuO₂和R-RuO_x （R=N, P, S, Se）催化剂的XPS分析图谱。如图2a显示，所有V_O-R-RuO_x样品的Ru 3p谱峰几乎相同。但V_O-Se-RuO_x中的Ru 3p3/2和Ru 3p1/2两个峰相对于其他V_O-R-RuO_x样品向较低的结合能偏移，这表明V_O-Se-RuO_x含有更多的低价Ru离子和V_O（氧空位）。在O 1s光电子谱中，与V_O相关的峰在V_O-Se-RuO_x中的相对贡献为55.03%，这明显大于其它样品，表明V_O-Se-RuO_x中V_O的存在更为丰富（图2b）。

包海峰教授在论文中特别致谢分析测试中心，感谢中心光谱分析室的熊重铎老师与微区结构分析室刘英老师在测试过程中提供的帮助。分析测试中心将继续发挥其科研支持的重要作用，为学校师生提供更加精准、高效的测试技术支持，为高质量科研发展贡献积极力量。