近日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition以“Leaching-Induced Ti Trapping Stabilizes Amorphous IrOx for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis”為題在線報道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團隊在質(zhì)子交換膜電解水制氫負載型低銥催化劑領(lǐng)域的最新研究成果。

可再生能源驅(qū)動的質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫技術(shù)是解決能源枯竭和環(huán)境污染問題的有效途徑，然而其大規(guī)模部署目前仍然高度依賴貴金屬催化電極材料，其中陽極析氧反應(yīng)（OER）銥（Ir）基催化劑的用量成為制約該技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵。設(shè)計高效穩(wěn)定的負載型催化劑有助于提高貴金屬利用率。相較于傳統(tǒng)過渡金屬氧化物載體材料，過渡金屬氮化物由于類金屬的導(dǎo)電性，是理想的新型電催化劑載體；然而其在OER強氧化環(huán)境中的結(jié)構(gòu)演化嚴重影響催化劑的長期穩(wěn)定性。因此，識別其工況穩(wěn)定的真實構(gòu)效關(guān)系有助于可控構(gòu)建新型負載型低銥催化劑材料。

針對這一關(guān)鍵問題，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團隊以Ir/TiN負載型催化劑為模型材料，追蹤了其在長期OER運行過程中的結(jié)構(gòu)演化趨勢，發(fā)現(xiàn)了一種載體原位溶出誘導(dǎo)的物種捕獲效應(yīng)，實現(xiàn)載體失穩(wěn)反向強化催化劑穩(wěn)定性的作用機制。在長期測試過程中，TiN載體逐漸氧化溶出，同時部分Ti物種被催化劑表面捕獲，趨于形成表面Ti錨定的無定形IrOx穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種載體溶出誘導(dǎo)的捕獲效應(yīng)有效抑制了活性非晶IrOx的進一步溶出。通過該策略構(gòu)建的負載型催化劑可以在反應(yīng)過程中將Ir的溶出減少89%，從而使性能衰減速率降低83%。這種材料結(jié)構(gòu)在工況環(huán)境下的自適應(yīng)溶出，也在催化層中引發(fā)了一種獨特的自增厚效應(yīng)：催化層自發(fā)趨于疏松多孔并維持一定厚度，從而避免了超薄催化涂層結(jié)構(gòu)完整性、機械穩(wěn)定性以及平面電導(dǎo)率差的問題。基于上述結(jié)構(gòu)特點，在87 μgIr cm-2 的超低負載量下，Ir/TiN作為陽極催化電極構(gòu)建的PEM電解槽僅需1.60 V的槽壓即可達到1.0 A cm-2的電流密度，并保持穩(wěn)定運行500 h沒有明顯性能衰減。該研究加深了非氧化物材料作為OER催化劑載體的工況構(gòu)效關(guān)系理解，并為可控構(gòu)建超薄催化電極結(jié)構(gòu)提供了一種全新思路，進而有助于大幅降低PEM電解水技術(shù)對貴金屬的高度依賴性。

該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生林昊陽在劉鵬飛副教授、戴升教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目的支持。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202504212