电解水制氢新突破！再发Science

氢能之家 2025-02-15

质子交换膜水电解（PEMWE）是实现大规模绿色氢能生产的核心技术，其中阳极氧析出反应（OER）催化剂的稳定性直接决定了设备的寿命。

质子交换膜水电解（PEMWE）是实现大规模绿色氢能生产的核心技术，其中阳极氧析出反应（OER）催化剂的稳定性直接决定了设备的寿命。然而，目前最活跃的 Ir 基催化剂在高电位下容易发生溶解、重沉积、脱落和团聚，导致性能快速衰减。为了在减少贵金属用量的同时提高催化剂的稳定性，研究人员开发了多种策略，但仍难以同时兼顾高活性和超稳定性。

本研究提出了一种 Ripening 诱导嵌入（RIE）策略，通过同步调控载体的生长速率与 Ir 的成核速率，在 CeOx 载体中稳定嵌入 IrOx 纳米颗粒，构筑了一种高效、超稳定的 OER 电催化剂，并在 PEMWE 设备中实现了突破性的长寿命性能。

详情如下：

成果简介

本研究采用 Ripening 诱导嵌入策略，在 CeOx 载体中嵌入 IrOx 纳米颗粒，实现了高活性和高稳定性的 OER 电催化剂。实验结果表明，该催化剂在 3 A cm⁻² 电流密度下的工作电位仅为 1.72 V，Ir 负载量仅为 0.3 mg cm⁻²，远低于传统催化剂，同时在 6000 小时的加速耐久性测试中，电位衰减速率仅为 1.33 mV h⁻¹，满足了美国能源部（DOE）2026 年的所有目标。此外，该策略可扩展至其他金属-金属氧化物体系，展现了广泛的应用潜力。

研究亮点

Ripening 诱导嵌入策略显著提升 IrOx 催化剂的稳定性

通过同步调控 CeOx 载体的生长速率与 Ir 的成核速率，成功将 Ir 纳米颗粒嵌入 CeOx 载体，有效抑制了 Ir 的溶解和团聚，提高了催化剂的稳定性。

低 Ir 负载下实现高效 OER 活性

RIE-Ir/CeOx 在 3 A cm⁻² 的电流密度下，电池电位仅为 1.72 V，远低于传统 IrO₂ 催化剂，并且大幅降低了贵金属用量，提高了催化剂的经济可行性。

超长寿命，满足 DOE 目标

在 6000 小时的稳定性测试中，该催化剂的电位衰减速率仅为 1.33 mV h⁻¹，显著优于现有 Ir 基催化剂，满足 DOE 2026 年的耐久性要求。

策略可扩展至其他金属-氧化物体系

该策略不仅适用于 Ir/CeOx，还可推广至 Ir/ZrOx、Pt/CeOx 和 Ru/TiO₂ 等体系，提高不同催化体系的稳定性。

配图精析

图1：Ripening 诱导嵌入策略示意图该图展示了 RIE 策略的基本概念，即通过调控载体（如 CeOx）的 Ripening 过程，使得 Ir 纳米颗粒在载体生长的同时完成嵌入，形成稳定的催化剂结构。KMC 模拟结果表明，高能晶面（如 (211) 面）能够加速载体的生长，从而促进 Ir 纳米颗粒的有效嵌入。

图2：RIE-Ir/CeOx 的形成过程该图展示了 Ir 颗粒在 CeOx 载体上嵌入的过程：（A）到（C）为不同时刻的 (Cryo-)TEM 图像，显示随着反应进行，Ir 纳米颗粒逐渐进入 CeOx 内部。（D）为高分辨 HAADF-STEM 图像，清晰地显示了 Ir 颗粒嵌入 CeOx 载体的状态。（E）到（H）为 3D 电子断层扫描（ET）重构模型，直观展示了嵌入深度的变化。

图3：RIE-Ir/CeOx 在 PEMWE 设备中的 OER 性能极化曲线表明，在 3 A cm⁻² 的电流密度下，RIE-Ir/CeOx 的工作电位仅为 1.72 V，优于传统 IrO₂ 和 C-Ir/CeO₂。（B）和（C）为恒电流稳定性测试结果，RIE-Ir/CeOx 在 6000 小时测试中的电位衰减仅为 1.33 mV h⁻¹，而传统 IrO₂ 和 C-Ir/CeO₂ 的衰减速度明显更快。（D）展示了该催化剂相较于其他 Ir 基 OER 催化剂的综合性能优势。

图4：RIE 策略的可靠性和可扩展性该图展示了 RIE 策略在不同金属-氧化物体系中的适用性。（A）为 10 个不同 PEMWE 设备中 RIE-Ir/CeOx 催化剂的稳定性测试结果，证明其性能可靠。（B）和（E）分别展示了 RIE-Ir/ZrOx 和 RIE-Pt/CeOx 的 TEM 图像。（C）和（F）为对应的未嵌入对照样品的 TEM 图像。（D）和（G）分别展示了 RIE-Ir/ZrOx 和 RIE-Pt/CeOx 在 PEMWE 设备中的恒电流稳定性测试结果，均表现出比未嵌入对照样品更高的稳定性。

展望

本研究提出的 Ripening 诱导嵌入策略（RIE）通过同步调控载体生长速率与 Ir 成核速率，成功构筑了超稳定的 Ir 基 OER 电催化剂，在低贵金属负载下实现了高效 OER 活性，并在 6000 小时的耐久性测试中展现出远超传统催化剂的稳定性。该策略满足了 DOE 2026 目标，并且可扩展至其他金属-金属氧化物体系，为未来高稳定性催化剂的设计提供了新的思路。未来的研究可进一步优化该策略，探索更多金属-载体组合，以满足不同电催化反应的需求。

本文内容来源于氢能之家，“新能源技术与装备”整理，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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