01
研究背景
质子交换膜（PEM）水电解技术因其具备高电流密度、气体纯度高、低电池阻抗等显著优势被广泛认为是未来清洁氢能源生产的重要途径之一。PEM水电解尤其适用于与太阳能、风能等可再生能源系统的结合。然而，该技术在实际应用中面临的一个主要挑战是阳极侧氧气析出反应（OER）的缓慢动力学，这严重影响了电解效率并增加了系统的运行成本。目前，在酸性环境下用于OER的催化剂大多基于贵金属如铱（Ir）和钌（Ru），虽然这些材料表现出较高的催化活性，但它们的高成本和在长时间电解过程中催化活性的下降极大限制了其大规模应用。为了降低成本并提高催化剂的稳定性，研究者们尝试通过掺杂、合金化和结构调控等方法来改善Ir基催化剂的性能。
02
研究内容
本研究旨在解决酸性OER中电催化剂活性和稳定性不足的问题，开发一种高效且稳定的Ir基合金催化剂。研究团队采用了一种快速且高效的热冲击合成方法，成功制备了铱-钇（IrY）合金纳米催化剂。该合金通过在铱的晶格中引入钇原子，优化了催化剂的电子结构和表面化学性质，从而大幅提升了其催化性能。实验结果表明，IrY催化剂在电流密度为10 mA/cm²时的过电位仅为255 mV，显著低于商业IrO₂催化剂的290 mV。此外，在酸性电解质中，该催化剂在100 mA/cm²的高电流密度下表现出超过500小时的卓越稳定性。通过一系列原位表征技术，如原位X射线吸收光谱（XAS）和原位拉曼光谱，研究揭示了IrY催化剂在电化学氧化过程中，表面会形成一种由钇掺杂稳定的Ir基氧化层，这种氧化层有效地防止了催化剂的过度氧化和溶解，从而确保了其长期的催化活性。理论计算进一步支持了这些发现，表明钇的引入可以增强氧中间体在邻近Ir位点的反应性，降低反应的过电位，从而促进OER的发生。
这项研究通过创新性的合金化策略，不仅展示了一种制备高效耐用催化剂的新途径，还为未来设计更经济有效的OER催化剂提供了理论基础和实验依据。
03
图文解析
图1 | (a) IrY催化剂合成的焦耳加热方法示意图。(b) IrY合金和纯Ir的X射线衍射（XRD）图谱。(c) IrY的透射电子显微镜（TEM）图像及其相应的尺寸分布直方图（插图）（比例尺：200 nm）。(d) IrY合金中分离元素的高角环形暗场扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（HADDF-EDS）线扫描图谱（比例尺：5 nm）。(e) IrY催化剂的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（比例尺：5 nm）(f) 合成的IrY催化剂的Ir L3-边XANES光谱，以Y的金红石结构IrO2和Ir箔为参考样品。(g, h) IrY和Ir的Ir 4f和Y 3d的XPS光谱。
图2 | 酸性条件下H型电池中的氧析出反应（OER）性能。(a) IrY、Ir和商用IrO2的线性扫描伏安曲线（LSV）。(b) IrY、Ir和商用IrO2的Tafel斜率。(c) IrY、Ir和商用IrO2的Nyquist图。(d) 基于电化学活性表面积（ECSA）归一化的LSV曲线。(e) IrY合金和Ir催化剂在0.5 M H2SO4电解质中，电流密度为100 mA/cm²时的恒电流电位时间曲线（插图：稳定性测试的前20小时中通过气相色谱法监测的对应的法拉第效率（FE））。(f) IrY和Ir在10000个循环中的加速耐久性测试（AST）。(g) 我们的催化剂与之前报道的催化剂在酸性电解质中的稳定性对比。
图3 | (a) IrY在不同施加电位（1.0 V、1.4 V和1.6 V）下Ir L3-边的原位XANES光谱，以Ir箔和IrO2作为参考。(b) 在不同施加电位下IrY的原位k3加权的FT-EXAFS图谱，Ir箔和IrO2数据作为参考。(c) IrY在OER测试前后Ir 4f XPS光谱。(d) IrY在开路电位（OCP）和不同施加电位下的原位拉曼光谱。(e) OER前后IrY催化剂的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；比例尺为2 nm。(f) OER过程后IrY催化剂的HAADF-EDS成像；比例尺为5 nm。所有电位均调整为相对于可逆氢电极（RHE）。
图4 | (a) 理论二维过电位图，作为ΔGOH*和ΔGO* - ΔGOH*的函数。(b) IrO2(100)和Y掺杂IrO2(100)表面的氧析出反应（OER）自由能图，在U = 1.23 V相对于可逆氢电极（RHE）下。粗体线表示潜在限制步骤（PLS）。底部显示了Y-IrO2(100)和IrO2(100)表面上OH*、O*和OOH*吸附的优化几何结构，以及没有吸附物的相应表面。(c) O*-吸附在IrO2(100)和Y掺杂IrO2(100)上的O-2p轨道的投影态密度（PDOS）。
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结论与展望
本研究成功开发了一种基于热冲击法合成的铱-钇（IrY）合金催化剂，展示出在酸性水电解中的优异氧析出反应（OER）催化性能和显著的长期稳定性。IrY催化剂在低过电位下表现出高电流密度，同时能够在高达100 mA/cm²的条件下稳定运行超过500小时，这使其在未来大规模氢能生产中具有广阔的应用前景。通过原位表征技术和理论计算，研究揭示了IrY合金在电化学氧化过程中形成的Y掺杂Ir基氧化层，这一氧化层显著提高了催化剂的抗氧化和抗溶解性，从而确保了其长期活性和耐久性。
未来发展方向
优化催化剂的合成方法：未来的研究可以进一步优化热冲击法的参数，以实现更均匀、更小颗粒尺寸的合金催化剂，从而进一步提高催化性能和稳定性。
探索其他非贵金属掺杂体系：除了钇之外，可以探索其他非贵金属或稀土元素的掺杂效应，以进一步降低催化剂成本，同时保持或提升其性能
拓展催化剂在其他电化学反应中的应用：鉴于IrY催化剂在OER中的优异表现，未来可以将这一合金体系应用于其他电化学反应，如氢析出反应（HER）或二氧化碳还原反应（CO2RR），以评估其在更广泛能源转化中的潜力。
大规模生产和应用测试：进一步的研究应着重于IrY合金催化剂的大规模制备技术，并在实际电解池装置中进行长期稳定性测试，以验证其在工业应用中的可行性。
通过这些方向的研究，有望推动高效、低成本电催化剂的发展，进一步降低清洁能源生产的成本和门槛，为全球能源转型提供有力支持。
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重要文献推荐
A highly active and stable IrOx/SrIrO3 catalyst for the oxygen evolution reaction. Science, 353(6303), 1011-1014.
这篇文章探讨了IrOx/SrIrO3催化剂在氧气析出反应中的高活性和稳定性，通过优化催化剂的电子结构，显著提高了其催化效率，展示了在PEM水电解中的应用潜力。An Ir/TiO2 heterostructure catalyst for efficient oxygen evolution in acidic media. Nature Nanotechnology, 16(12), 1371-1377.
这篇文章研究了Ir/TiO2异质结构催化剂在酸性介质中的氧气析出反应表现，展示了通过纳米结构设计显著提高催化活性和稳定性的可能性。Stable and efficient Iridium-based nanocatalysts for acidic water splitting. Advanced Energy Materials, 11(10), 2102058.
本文探讨了新型铱基纳米催化剂在酸性水分解中的应用，揭示了合金化策略在提高催化剂活性和长期稳定性方面的优势。
Nature/Science级控温技术-超快高温炉
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