在“双碳”目标的驱动下，电催化技术已成为能源转换与环境治理的核心手段。然而，传统的电催化剂面临一个根本局困境：晶格氧介导机制（LOM）与氢吸附/脱附平衡难以兼容。LOM能突破传统吸附质演化机制（AEM）的热力学限制，显著提升析氧反应（OER）的动力学。其关键在于激活晶格氧——这一活化过程对5-羟甲基糠醛、尿素、甲醇、肼和氨等多种小分子氧化反应都具有普适性优势。然而，激活晶格氧所需的电子结构调控（如引入氧空位、构建高共价金属-氧键），往往不利于氢析出反应（HER）中H*中间体的吸附与脱附。这一“此消彼长”的困境，严重制约了多功能电催化剂的设计，成为多用途集成能源系统发展的关键瓶颈。
本研究通过腐蚀工程将Co和Ru离子同步掺杂到泡沫铜表面的Cu2O晶格中，成功构筑了CoRu-Cu2O/CF全能型催化剂（图1）。该方法操作简便，反应条件温和，完整保留了基底的三维多孔结构。通过元素mapping证实Co、Ru、Cu、O四种元素均匀分布，成功实现了异原子的晶格掺杂。
图1.（a）CoRu-Cu2O/CF的制备过程示意图。（b）CF，（c）Cu(OH)2/CF，（d）Cu/CF，和（e）CoRu-Cu2O/CF的SEM图像。（f）CF，（g）Cu(OH)2/CF，（h）Cu/CF，和（i）CoRu-Cu2O/CF的TEM图像。（j）CoRu-Cu2O/CF的元素分布图像。
XRD证实了材料的晶体相完整性与杂原子的掺杂，而XPS则精准表征了各元素的化学价态与电子云密度变化，直观证明了Co和Ru的引入对Cu2O基体的电子状态产生了显著调控及促进丰富O空位的形成（图2）。
图2.（a）CoRu-Cu2O/CF，Ru-Cu2O/CF，Co-Cu2O/CF和Cu2O/CF的XRD图谱。所制备催化剂（b）Co 2p，（c）Ru 3p，（d）Cu 2p和（e）O 1s的XPS图谱。
CoRu-Cu2O/CF催化剂展现出卓越的OER和HER性能和稳定性：其在1.0 mol L-1 KOH溶液中，当电流密度达到10 mA cm-2时，其过电位分别为248 mV和50 mV，远超对比样品。同时，该催化剂拥有更小的Tafel斜率、更大的电化学活性面积和更低的电荷转移电阻，表明其在反应动力学上的显著优势，即反应速率更快、活性位点更多、电荷传输更高效。鉴于此，在全解水测试中，CoRu-Cu2O/CF仅需1.52 V即可达到10 mA cm-2，且能稳定运行90小时，展现出卓越的双功能催化能力（图3）。
图3.（a）CoRu-Cu2O/CF、Ru-Cu2O/CF、Co-Cu2O/CF、Cu2O/CF、Cu/CF、Cu(OH)2/CF和CF在电流密度为10 mA cm-2时的OER和HER性能；（b）相应的Tafel斜率；（c）Cdl值。（d）Nyquist图（OER）。（e）CoRu-Cu2O/CF的OER原位EIS曲线和（f）Bode图。（g）CoRu-Cu2O/CF、Ru-Cu2O/CF、Co-Cu2O/CF、Cu2O/CF、Cu/CF、Cu(OH)2/CF和CF的Nyquist图（HER）。（h）CoRu-Cu2O/CF的HER原位EIS曲线和（i）Bode图。（j）oRu-Cu2O/CF的长期稳定性测试。（k）CoRu-Cu2O/CF||CoRu-Cu2O/CF、Pt/C||RuO2和CF||CF电解池的全解水极化曲线。（l）双电极体系的耐久性测试。
DFT计算揭示了掺杂离子的引入提升催化活性的微观机制（图4）。对OER路径的模拟表明，Ru掺杂成功将反应路径从传统AEM切换到更高效的LOM路径，决速步能垒从2.13 eV大幅降至0.72 eV。态密度分析进一步表明，Ru的引入使O 2p带中心上移，增强了晶格氧的活性。在HER方面，Ru掺杂显著降低了水分解能垒，并将H*吸附自由能优化至接近热力学中性的0.09 eV，从而实现了高效的氢吸附与脱附平衡。
图4.（a）Co-Cu2O，Ru-Cu2O和CoRu-Cu2O的结构模型。Cu、Co、Ru和O原子分别用浅蓝色、深蓝色、灰色和红色球体表示。Co-Cu2O，Ru-Cu2O和CoRu-Cu2O（b）HER中的水裂解的吉布斯自由能，（c）HER中氢吸附的自由能图，（d）p轨道在对准费米能级时的投影态密度，（f）遵循AEM路径时的吉布斯自由能图和（e）遵循LOM路径时的吉布斯自由能图。
图5通过一系列实验验证了OER机制的切换。pH依赖性测试显示，CoRu-Cu2O/CF的OER活性对pH变化更为敏感，其质子反应阶数远高于Co-Cu2O，表明晶格氧参与了反应。TMA+探针实验进一步发现，CoRu-Cu2O/CF表面生成了O22-特征物种，这是LOM路径的关键证据。反应后的拉曼表征也证实了该中间物种的存在。综上，Ru的引入成功促使OER机制从传统的AEM切换为更高效的LOM路径。
图5.（a）CoRu-Cu2O/CF和（b）Co-Cu2O/CF在不同pH值的KOH溶液中测得的LSV曲线。（c）在1.50 V vs. RHE电位下，OER电流密度的对数与pH值的关系曲线，用于计算质子反应速率常数（ρRHE = ∂logj/∂pH）。（d）CoRu-Cu2O/CF和（e）Co-Cu2O/CF在1.0 M KOH和1.0 M TMAOH溶液中测得的LSV曲线。（f）催化剂CoRu-Cu2O/CF和Co-Cu2O/CF在1.0 M TMAOH和1.0 M KOH溶液中，于1.50 V vs. RHE电位下运行20分钟并用去离子水清洗后，测得的拉曼光谱。（g）RuO2@Co-Cu2O和CoRu-Cu2O的LSV曲线。（h）AEM路径（RuO2@Co-Cu2O）和LOM路径（CoRu-Cu2O）的示意图。
图6进一步验证了CoRu-Cu2O/CF的普适性催化优势。在HMFOR、AOR、MOR和UOR四种小分子氧化反应中，CoRu-Cu2O/CF（晶格氧活化）的CV和LSV曲线均显著优于RuO2@Co-Cu2O/CF。DFT计算表明，CoRu-Cu2O/CF对各类小分子反应物的吸附能均为负值且强度适中。这一结果充分说明，基于LOM机制的催化剂不仅在OER中表现优异，在多类电氧化反应中同样具备普适性的性能优势。
图6.（a）RuO2@Co-Cu2O/CF和CoRu-Cu2O/CF在1.0 mol L-1 KOH + 0.3 mol L-1 HMF溶液中的CV曲线（扫描速率100 mV s-1）和（b）LSV曲线；在1.0 mol L-1 KOH + 0.1 mol L-1 NH3·H2O溶液中的（c）CV曲线（100 mV s-1）和（d）LSV曲线；在1.0 mol L-1 KOH + 1 mol L-1 CH3OH溶液中的（e）CV曲线（100 mV s-1）和（f）LSV曲线；在1.0 mol L-1 KOH + 0.3 mol L-1尿素溶液中的（g）CV曲线（100 mV s-1）和（h）LSV曲线。（i）HMFOR、AOR、MOR和UOR中，计算得到的相应小分子在催化剂RuO2@Co-Cu2O/CF和CoRu-Cu2O/CF上的吸附自由能。
本研究通过腐蚀工程策略成功制备了CoRu-Cu2O/CF催化剂，巧妙地解决了电催化领域长期存在的LOM机制与HER活性不兼容的难题。Ru原子嵌入Cu2O晶格不仅激活了晶格氧、诱导OER机制从AEM向LOM转变，更与Co协同优化了表面H*吸附/脱附平衡，实现了“一石二鸟”的电子结构调控。该催化剂在OER、HER及多种小分子电氧化中均展现出卓越性能，全解水电压低至1.52 V，并具备优异的长期稳定性。这一工作实现了多种反应的协同增强，为多功能一体化电催化剂的设计提供了新思路。此外，腐蚀工程制备方法简便、成本低廉、易于放大，为工业化应用奠定了基础。
相关研究以“Unlocking lattice oxygen mediation in a multi-functional electrocatalyst for concurrent energy-efficient electrooxidation and hydrogen evolution”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为西南大学李念兵教授、罗红群教授和南宁师范大学肖琦教授。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gee.2026.03.026
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