清潔氫能的生產(chǎn)對于大規(guī)模、高效、可再生能源的開發(fā)具有重要意義。水電解(包括堿水電解(AWE)、質(zhì)子交換膜電解(PEMWE)、固體氧化物電解槽(SOEC))可利用電能生產(chǎn)氫氣。其中，PEMWE由于其高工作電流密度(> 1.0 A cm-2)、低歐姆損耗和高氫純度(> 99.99%)被認(rèn)為是最有前途的制氫策略。
目前，PEMWE中析氧反應(yīng)(OER)的陽極依賴于Ir基電催化劑(如IrOx和Ir黑)。然而，Ir的高成本和稀缺的儲量極大地阻礙了PEMWE大規(guī)模應(yīng)用。此外，陽極IrOx催化劑一般表現(xiàn)出不理想的OER活性，過電位相對較大，并且由于在OER催化過程中Ir物種的浸出而表現(xiàn)出相對較低的耐久性。因此，開發(fā)新型、高效、耐用的Ir基催化劑是實現(xiàn)PEMWE實際應(yīng)用的關(guān)鍵。近日，北京化工大學(xué)王峰和竇美玲等提出了一個有效的界面工程策略，通過在催化劑-載體界面上的電子轉(zhuǎn)移和晶格氧穩(wěn)定化，利用高導(dǎo)電性(約960 S cm-1)Ti4O7載體負(fù)載IrO2納米顆粒，來提高低Ir載荷催化劑的OER功效。實驗和理論計算表明，IrO2-Ti4O7界面上形成了Ir-O-Ti鍵，催化劑-載體相互作用導(dǎo)致Ir3+含量增加，導(dǎo)致d帶中心降低，減弱了氧中間體在Ir位點上的吸附，從而促進(jìn)了OER催化。此外，界面上形成的Ir-O-Ti鍵穩(wěn)定了IrO2中的晶格氧，為OER催化提供了一條穩(wěn)定的晶格氧路徑。性能測試結(jié)果顯示，在酸性條件下，IrO2/Ti4O7催化劑在10和100 mA cm-2電流密度下的OER過電位分別為244和296 mV，在1.53 V下的質(zhì)量活性為1342.9 A gIr-1。此外，使用IrO2/Ti4O7 (Ir載量為0.24 mgIr cm-2)作為陽極催化劑，60% Pt/C作為陰極組裝的PEMWE在1.0 A cm-2電流密度下的電池電壓為1.73 V，并且在200 mA cm-2下連續(xù)穩(wěn)定運行超過500小時，表明IrO2/Ti4O7作為PEMWE的實用陽極的巨大潛力。總的來說，利用界面工程策略創(chuàng)造強(qiáng)烈的催化劑-載體相互作用，為設(shè)計穩(wěn)定和高效率的Ir基OER催化劑提供了一條新途徑。Interface-engineering strategy for boosting low-Ir catalytic water oxidation using a conductive Ti4O7 support. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c03862
