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质子交换膜水电解（PEMWE）是高效制氢的重要技术，但其阳极析氧反应（OER）对催化剂活性和稳定性要求极高。Ir基氧化物被认为是目前最佳的OER催化剂，但其高成本和稀缺性限制了规模化应用。通过掺杂和结构调控来提高Ir基催化剂的质量活性并降低用量，是解决这一问题的关键。
成果简介
研究团队通过一种改良的熔融法，合成了一种具有多孔网络结构的超长B掺杂IrO₂（B-IrO₂）纳米针。B掺杂促进了IrO₂晶体的各向异性生长，同时提高了催化剂的电子导电性和稳定性。实验显示，B-IrO₂在酸性环境下表现出超高的OER质量活性（3656.3 A g⁻¹ Ir），是未掺杂IrO₂的4倍以上。此外，在单电池测试中，B-IrO₂在1.0 A cm⁻²电流密度下可稳定运行至少160小时。
研究亮点
创新的B掺杂策略：通过硼掺杂促进IrO₂晶体各向异性生长，显著提高了催化剂的活性位点数量和电子导电性。
超高的电催化性能：B-IrO₂在100 mA cm⁻²下的过电位仅为268 mV，质量活性是传统IrO₂催化剂的4倍以上。
长期稳定性：单电池测试显示，B-IrO₂在1.0 A cm⁻²电流密度下可稳定运行至少160小时，显著优于未掺杂的对照样品。
理论机理验证：DFT计算表明，B掺杂降低了OER反应中关键步骤的自由能屏障，从而显著提升了反应速率。
配图精析
图1：展示B-IrO₂的合成示意图，通过硼酸和成形剂的协同作用，促进了IrO₂纳米针的各向异性生长，形成多孔网络结构。
图2：TEM和XPS分析揭示了B-IrO₂的晶格特性和电子结构调控。B掺杂提升了催化剂的导电性，并优化了活性位点的分布。
图3：电化学性能测试对比不同IrO₂催化剂。B-IrO₂在较低过电位下展现出显著的催化活性，Tafel斜率进一步表明其反应动力学优势。
图4：单电池测试验证了B-IrO₂在实际应用中的优异性能，展现了在工业化电流密度下的稳定性和高效析氧能力。
展望
本研究通过B掺杂和形貌调控成功开发了一种高效、低用量的Ir基催化剂。该催化剂在酸性OER中的表现为PEMWE的大规模应用提供了新的技术路径。未来，可进一步优化掺杂量和结构特性，以实现更高的催化效率和更广泛的工业应用。
文献信息
期刊：Materials Horizons
DOI：10.1039/d4mh01358a
原文链接：https://doi.org/10.1039/d4mh01358a
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