ACS Catalysis：通过Ir/Ru共取代合理设计ꞵ-MnO2在酸性介质中增强OER

学术 2025-01-31 10:13 中国台湾

▲第一作者：邓润旭

共同通讯作者：刘锋、王政

通讯单位：云南贵金属实验室有限公司、深圳大学-高等研究院、昆明物理研究所

论文DOI：10.1021/acscatal.4c05989（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，云南贵金属实验室有限公司刘锋和深圳大学高等研究院王政于国际知名期刊ACS Catalysis（中科院一区，top期刊）发表题为“Rational design of β-MnO₂ via Ir/Ru co-substitution for enhanced oxygen evolution reaction in acidic media”的研究论文。该研究巧妙地利用一步水热法合成了Ir/Ru共取代ꞵ-MnO₂的IrRuMnO_x催化剂，实现了从AEM机制到OPM机制的转变。本研究为酸性介质中OER机制提供了关键见解，并且为开发高效、耐用的OER电催化剂以用于绿氢生产铺平了道路。

背景介绍

可再生能源驱动的水电解为生产绿色氢气提供了一种可持续的解决方案，解决了能源安全和环境可持续性的关键挑战。在各种电解技术中，质子交换膜水电解槽（PEMWEs）因其优越的氢气纯度、运行效率、对波动电力输入的快速响应以及在高压条件下运行的能力而脱颖而出。然而，阳极析氧反应（OER）的动力学缓慢限制了PEMWEs的整体能量效率，酸性环境和高阳极电位对催化剂的性能和耐久性提出了严格的要求。从AEM机制转向OPM是提高OER效率的关键，因为OPM克服了AEM中水的弱亲核性和比例关系限制。ꞵ-MnO₂的金红石结构和短Mn-Mn距离有助于促进OPM中的氧耦合反应。

本文亮点

(1)通过共取代Ir和Ru到ꞵ-MnO₂中，合理地设计了IrRuMnO_x催化剂，显著提高了催化活性和稳定性，同时极大减少了贵金属的用量，降低催化剂使用成本。

(2)结合DFT计算和实验验证，深入分析IrRuMnO_x催化剂的电子结构和反应机制，揭示了其优异性能的内在原因，为催化剂合理设计提供了理论依据。

(3)三电极中Ir载量为0.3mg cm^-2，10 mA cm^-2过电位低至200 mV，PEM电解槽中Ir载量只有0.075mg cm^-2，即可实现1.66 V@1 A cm^-2@80℃，同时稳定运行100小时以上。

(4)研究明确了IrRuMnO_x催化剂在OER过程中主要遵循OPM机制，克服了传统AEM机制的限制，为酸性介质中OER催化剂的设计提供了新的思路。

图文解析

图1 IrRuMnOx分别按照AEM、LOM和OPM路径的反应能垒

图2 IrRuMnOx关于氧耦合、氧空位形成能和PDOS的DFT计算

图3 IrRuMnO_x的形貌表征

图4 IrRuMnO_x的电子结构表征

图5 三电极体系0.5 M H₂SO₄中OER催化性能

图6 PEM电解槽中纯水电解性能和稳定性

总结与展望

在这项研究中，我们通过共取代Ir和Ru合理设计了IrRuMnO_x催化剂，使其成为一种高性能的酸性OER催化剂。DFT计算表明，Ru和Ir的协同效应通过促进从AEM向OPM的转变，显著降低了OER过电位。IrRuMnO_x催化剂表现出优异的OER性能，具有降低的过电位、优于商业催化剂质量活性以及超过100小时PEM电解槽显著稳定性。其稳定性得益于Mn浸出抑制了贵金属Ir和Ru的溶解。这种催化剂的卓越性能、耐久性以及实用的合成方法使其成为PEMWEs应用中极具前景的候选材料，有望推动可持续氢气生产，助力绿色能源未来的发展。

课题组介绍

王政（主页：https://ias.szu.edu.cn/info/1046/3645.htm ），深圳大学高等研究院研究员，独立课题组负责人，硕士研究生导师，深圳市“孔雀计划”C类人才。2013年毕业于哈尔滨工业大学，并在本科期间赴中国科学技术大学交流学习。随后，于香港科技大学师从林振阳教授，专攻金属有机化学反应机理，2017年获博士学位。于2017.10-2019.10期间，在北京大学深圳研究生院与杨世和教授合作开展太阳能电池和电催化研究，2020年赴香港科技大学跟随Francesco Ciucci教授从事固体氧化物燃料电池研究。2021年至2023年，在昆明物理所从事红外探测器的理论研究与半导体器件模拟工作。

课题组的注重利用理论计算与多尺度仿真技术，解决工业应用中的实际问题，推动相关产品的研发。研究方向包括利用理论与计算化学手段深入探讨催化机理（包括析氧、析氢、氧气还原反应和有机化学反应），并进行固体氧化物燃料电池与红外探测器的多尺度模拟与理性设计等。

主持了1项国家自然科学基金项目及2项省部级项目，并作为唯一的理论计算人员参与了多项国防项目的研究工作。迄今为止以第一作者或通讯作者已在《Nature Catalysis》、《Nature Communications》、《ACS Catalysis》、《Advanced Functional Materials》和《Journal of Physical Chemsisty Letter》等期刊上发表SCI论文50余篇，累计被引用超过2700次。

刘锋，研究员，硕士生导师，厦门大学理学博士，获云南省青年人才、昆明高层次引进人才等称号。近年来，以市场需求为导向，以批量化生产为目的，通过开发多组元催化剂相结构以及表界面应变等多维调控技术，不断优化工艺，获得先进的催化剂批量制备技术，开发出系列高活性、高稳定性的贵金属关键催化材料，实现其在电解水制氢、储氢以及燃料电池领域的应用，并形成了国内领先的催化剂开发创新平台。所开发的燃料电池系列催化剂如Pt/C催化剂、PtRu/C催化剂、PtCo/C催化剂以及电解水制绿氢用Ir基催化剂等相关科技成果达到国外同类产品先进水平，部分产品实现了批量化制备，打破国外技术垄断。在《ACS Catalysis》、《Advanced Material》、《Small》、《Applied Catalysis B-Environment and Energy》等国内外期刊发表学术论文50余篇，专利20余项，专著1本，承担主持国家、省市各层次报告国家重点研发计划、云南省重大科技专项在内的科研项目15余项。

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