近日，广东工业大学轻工化工学院余林教授团队联合华中科技大学刘友文教授团队、海南大学王浩志教授团队，在质子交换膜电解水制氢（PEMWE）研究领域取得新进展。相关研究成果发表于《自然-通讯》。

利用可再生能源驱动的电解水，是实现清洁高效制氢、推进碳中和目标的关键技术路径，但其效率长期受制于阳极析氧反应（OER）缓慢的动力学过程，且在强酸环境下催化剂稳定性面临严峻挑战。

催化剂微观结构图与定向水分子构型策略示意图（上），电解水制氢性能图（下）。研究团队供图

针对上述难题，研究团队提出了一种“定向水分子构型”策略，通过直接优化界面水分子的排列方式，在具有边缘位错结构的RuO₂催化剂中成功诱导界面水分子形成有序的“氧端朝下”构型。该特殊结构源于位错区域中压应力与拉应力的协同作用：压应力排斥氢端吸附，而拉应力增强对氧端的吸引，从而诱导水分子有序排列。

实验与理论计算结果表明，有序的水分子结构不仅显著加快了水分子去质子化过程，还通过构建稳定的氢键网络实现质子的快速“接力式”传输，有效避免局部酸性过强所引发的催化剂腐蚀。同时，预先定向的水分子可直接参与反应，省去传统体系中随机取向调整的步骤，使反应能垒降低约50%以上。

性能测试显示，该催化剂在10 mA cm^-2电流密度下仅需179 mV过电位，并可稳定运行超过1000小时。在实际运行的质子交换膜电解槽中，其在1 A cm^-2条件下连续运行超过720小时，展现出优异的工业应用潜力。

该研究为打破电解水析氧过程中活性与稳定性此消彼长的固有矛盾提供了新思路，也为高性能电解水制氢催化材料的设计开辟了新方向。