2024年7月13日-15日，第一届Green Carbon青年编委会化学方向研讨会暨“绿碳能源化学与过程”学术沙龙在青岛召开。吉林大学邹晓新教授应邀出席，并作题为“PEM电解水阳极铱催化剂研究”的特邀报告。
PEM电解水阳极铱催化剂研究
一
背景介绍
质子交换膜PEM电解水技术具有能耗低、效率高、氢气品质好、运行可靠等诸多优点。析氧反应是发生在诸多电化学催化反应中的阳极半反应，其缓慢的动力学影响了整个电催化反应的效率。因此，开发高效析氧催化材料一直是电催化领域中的重要课题。随着质子交换膜电解水技术的发展，人们对酸性析氧催化材料的需求愈加迫切。二氧化铱（IrO2）在酸性析氧催化过程中具有较好的活性与稳定性，是目前商业化的酸性析氧催化剂。很多新开发的铱基氧化物催化剂活性超过IrO2催化剂，但是它们的高活性是以牺牲结构稳定性为代价的，在酸性析氧过程中普遍存在不可忽视的无序脱溶、无定形化等稳定性问题。而且，这种催化活性和结构稳定性之间此消彼长的反向关联，已成为制约新型高效铱基催化剂开发的严重障碍。
在本次特邀报告中，邹晓新教授介绍了PEM电解水阳极铱催化剂研究进展。其研究团队系统研究了一类结构明确的层状铱基氧化物，建立了催化剂结构-活性-稳定性之间的构效关系，证实了在低铱载量下实现高活性和结构稳定性的优势。有助于推动新一代阳极催化剂在工业PEM电解槽中的实际应用。
邹晓新教授在“绿碳能源化学与过程”学术沙龙上作特邀报告
二
报告内容
01 高温固相法合成
蜂窝层状结构铱酸盐
二氧化铱（IrO2）在酸性析氧催化过程中具有较好的活性与稳定性，是目前具有代表性的酸性水氧化催化剂。为了提高催化活性，人们不断尝试研发新结构的铱基氧化物作为析氧催化剂。在过去几年里，邹晓新教授团队报道的几种新型铱基催化剂（6H-SrIrO3、Sr2IrO4、Sr2Ir3O8）具有比IrO2更高的本征活性。但由于存在离子脱溶、稳定性差等问题，无法在PEM阳极催化层中实际应用。
图1 铱酸锶晶体结构：3C相SrIrO3，6H相SrIrO3，
Ruddlesden-Popper层状Sr2IrO4，Sr2Ir3O8
为了解决这一问题，邹晓新教授团队利用固相合成法，制备了蜂窝层状结构SrIr2O6酸性析氧催化剂。在该结构中，IrO6八面体以共边形式连接形成蜂窝状层板结构，具有特别强的IrO6八面体连接模式。结合XRD、PDF、球差校正电镜、X射线电子衍射、XPS和XANES等实验表征手段，证实获得了纯相的SrIr2O6样品。
图2 蜂窝状层状结构铱酸锶晶体结构
邹晓新教授团队发现SrIr2O6的表观催化活性和电化学活性面积归一化的本征活性都优于IrO2，铱质量活性比IrO2高约10倍。并且SrIr2O6在OER过程中的Ir脱出量极低（约0.03%），并能保持催化活性超过300小时，表现出了很高的稳定性。同时SrIr2O6在催化后仍保持体相和表面结构的高结晶性，避免了在酸性析氧催化中的结构无定形化。
图3 铱酸锶的酸本征活性及稳定性研究
02 在膜电极层面上
实现性能的高效表达
通过对蜂窝层状结构Na2IrO3进行酸处理和化学剥离，制备了质子化的层状结构氧化铱纳米片（厚度约4 nm）。在该纳米片中，IrO6八面体共边连接，维持蜂窝状层板结构，蜂窝中心为本征Ir空位，展现出了优异的活性和出色的结构稳定性。膜电极催化层的Ir载量降至0.3 mg/cm2。PEM电解槽性能达到3 A/cm2@1.89 V@80 ℃，超过了已有文献报道的铱基催化剂，证实了蜂窝层状结构的氧化铱纳米结构无论是本征性能还是器件宏观的表现都已经突破了纳米金红石相IrO2膜电极性能的限制。
图4 蜂窝层状结构氧化铱纳米片的膜电极性能
03 高孔隙铱基催化剂的批量化制备
邹晓新教授团队制备了高孔隙层状结构的氧化铱催化剂，并在材料中引入多孔结构，其孔隙率可达74％。膜电极催化层的Ir载量在0.5-0.8 mg/cm2时呈现了优异的催化性能，PEM电解槽性能达到2.7-3.2 A/cm2@1.9
V@80 ℃，超过美国能源部公布的2023年技术指标。
在此基础上，该团队进一步制备了高孔隙纳米片状结构的氧化铱催化剂，此催化剂继承了蜂窝状原子层面的骨架结构，协同优化了催化层的传质、传荷和催化活性，关注到形貌特征对铱载量的影响，进而将膜电极催化层的Ir载量降至0.3-0.4 mg/cm2。PEM电解槽性能达到2.5-3.0 A/cm2@1.9 V@80 ℃。初步实现100-200 g/批次多孔铱基催化剂的批量化制备，并与中国石油合作开发了质子交换膜电解水技术的阳极催化剂，制作了4200 cm2大尺寸膜电极及50 Nm3/h PEM电解槽。
邹晓新教授首次提出高度多孔化层状结构氧化铱催化剂，并在电解槽层面证实低铱载量下实现高活性和稳定性的优势。该研究结果为传统铱酸盐酸性析氧催化剂普遍面临的结构稳定性问题提供了解决思路，同时也为理解电催化剂结构-活性-稳定性关系提供了理想模型。
三
专家介绍
邹晓新，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室教授，化学学院无机化学系主任，国家科技创新领军人才（2022年），国家优秀青年科学基金获得者（2020年），国家高层次青年人才计划（2019年），化学会青年人才托举工程（2016年），“科睿唯安”全球高被引学者和“爱思唯尔”中国高被引学者（2021-2023年度）。主要从事无机氢能源材料结构化学、合成化学、计算化学与催化化学的结合研究，旨在揭示催化剂设计与性能的晶体结构基础，发现新型催化材料，发展催化材料的绿色合成方法，并致力于将基础研究成果产业化。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊上发表SCI论文100余篇，总引用20000余次，授权中国发明专利10余项；承担国家重点研发计划课题和青年项目、基金委优青等项目10余项。
供稿丨魏晓迪 硕士研究生
中国科学院青岛能源所 系统微生物工程研究组
指导丨朱佳伟 研究员
中国科学院青岛能源所 功能膜与氢能技术研究中心
编辑丨Green Carbon期刊中心
审核丨Green Carbon期刊中心
关于
Green Carbon
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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。
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