在当今全球能源转型的背景下，电催化水分解作为一种可持续的清洁能源生产技术，正受到越来越多的关注。然而，水分解过程中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）存在较高的能量障碍，限制了其效率。尽管贵金属催化剂在优化反应中间体吸附能量方面表现出色，但其高昂的成本和稀缺的资源使其难以广泛应用。因此，开发高效且经济的催化剂成为该领域的关键。青岛科技大学的研究团队在《ACS Catalysis》上发表的最新成果，通过焦耳加热技术引入位错强化机制，成功开发出一种高性能的IrNi合金催化剂。这一突破不仅显著提升了水分解效率，还为未来催化剂的设计提供了新的思路。
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创新的位错强化策略：通过快速焦耳加热技术引入富集的Frank部分位错，实现了位错的动态钉扎与稳定化。
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显著提升的催化性能：优化后的IrNi/N–C催化剂在酸性和碱性条件下展现出卓越的水分解性能，远超商业Pt/C||RuO₂催化剂。
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电子结构调控：通过应变工程调节金属中心的电子结构，显著降低了反应能量障碍，提升了催化活性。
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高效稳定的水分解：在酸性和碱性条件下，该催化剂均展现出优异的整体水分解活性和长期稳定性。
图1：催化剂制备与位错形成机制
图1展示了IrNi/N–C催化剂的制备过程及其位错形成机制。研究团队通过Schiff碱的脱水缩合反应合成氮掺杂的有机聚合物碳载体，并在其表面螯合Ir和Ni金属前驱体及过量的Zn。在非平衡超快热冲击条件下，通过焦耳加热在3–5秒内将温度迅速提升至1500°C，诱导Zn升华并形成空腔，同时产生晶格空位。这些空位被Ir和Ni原子占据，通过晶格攀爬机制引发位错的形成。随后，通过高温固溶强化处理，进一步稳定了位错结构，优化了催化剂的电子性能。
图2：结构表征
透射电子显微镜（TEM）图像显示，IrNi纳米颗粒均匀分散在氮掺杂的碳载体上，平均粒径为5–7纳米。高分辨TEM（HRTEM）揭示了丰富的Frank部分位错，导致晶格压缩，(111)晶面的晶格间距压缩至0.208纳米，比标准IrNi合金小3.25%。几何相分析（GPA）进一步证实了位错引起的压缩应变效应，优化了催化剂的电子结构和催化活性。
图3：电子结构分析
X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，IrNi/N–C的晶格参数因Ni的插入而收缩，Ir和Ni之间存在显著的电子转移，Ir的价态降低，Ni的价态升高。这种电子重新分布优化了催化剂的表面电子性质，增强了对反应中间体的吸附能力，从而提高了催化效率。
图4：电催化性能测试
在0.5 M H₂SO₄中，IrNi/N–C仅需15 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，显著优于Ir/N–C和商业Pt/C。其Tafel斜率低至17.32 mV dec⁻¹，表明快速的反应动力学。在OER中，IrNi/N–C表现出低过电位（295 mV）和小Tafel斜率（60.23 mV dec⁻¹）。在整体水分解中，IrNi/N–C仅需1.46 V（酸性）和1.53 V（碱性）即可达到10 mA cm⁻²，远低于商业Pt/C||RuO₂。稳定性测试表明，IrNi/N–C在24小时内保持优异的性能，展现出卓越的稳定性和高效性。
图5：理论计算分析
通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队探讨了应变效应对催化性能的影响。计算结果表明，压缩应变显著降低了水解离和氢吸附的能量障碍，优化了Ir和Ni活性位点的吸附能力。例如，-10%应变的IrNi合金在水解离过程中表现出最低的能量障碍（0.96 eV）。此外，应变还导致d带中心下移，减弱了H*的吸附强度，从而提高了HER活性。这些理论分析为IrNi/N–C的高性能提供了有力支持。
本研究通过创新的位错形成与强化策略，成功制备了富含Frank部分位错的IrNi/N–C催化剂，并将其应用于高效的电催化水分解。实验和理论分析表明，位错强化不仅优化了催化剂的电子结构，还显著降低了反应能量障碍，提升了催化活性。该催化剂在酸性和碱性条件下均展现出卓越的水分解性能和稳定性，为高性能双功能催化剂的设计提供了新的思路。
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