扬州大学许小勇教授， Nano Letters：高效稳定超低铱催化剂用于质子交换膜水电解

第一作者：毛旭东、朱明泽、谢梦柯

通讯作者：许小勇*

单位：扬州大学

质子交换膜水电解技术作为绿色制氢（H₂）的重要路径，因其结构紧凑、欧姆损耗低、电流密度大、氢气纯度高、负载适应性强以及对功率波动响应迅速等突出优势，特别在与可再生能源发电系统集成时展现出巨大潜力。然而，该技术在阳极侧形成的强酸性电解环境，对耐腐蚀材料提出了严苛要求，尤其在阳极催化剂选择上面临重大挑战。目前，金属铱氧化物被公认为酸性氧析出反应（OER）的首选电催化剂。但地球铱储量极其匮乏，导致其价格高企（约180美元/克）。当前膜电极组件中普遍采用的铱负载量（通常为2-4毫克/平方厘米）严重制约了质子交换膜电解技术的规模化应用。因此，开发低铱负载、高铱质量活性的酸性OER催化剂，成为推动质子交换膜技术发展的关键突破口。

近日，扬州大学许小勇教授课题组在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Ultralow-Iridium Oxygen Evolution Catalyst with Dual-Site Oxide Pathway for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis”的研究文章。该工作成功研制出氧化铈负载铱簇催化剂（Ir@CeO₂），该催化剂通过在CeO₂基质中分散超细铱簇，实现了贵金属的低负载量，同时在催化活性与稳定性之间取得了理想平衡。

通过原位表面增强红外光谱与理论计算的联合分析，本研究揭示了Ir@CeO₂催化剂独特的双位点氧氧化反应路径，得益于载体限域效应带来的Ir-O键共价性增强与Ir-Ir间距缩短。该路径不同于传统吸附物演化机制和晶格氧演化机制，能够更好地权衡活性和稳定性，进而实现了催化活性-稳定性平衡的关键突破。

实验数据表明，Ir@CeO₂催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下仅需197 mV过电位，在300 mV过电位下质量活性高达247 A gIr⁻¹，显著优越于商业IrO₂材料。这一卓越的氧析出反应动力学提升源于其独特的双位点氧演化路径机制。在实际质子交换膜电解槽应用中，该催化剂在铱负载量仅为0.3 mg cm⁻²的条件下，于1.68 V槽电压下以1 A cm⁻²电流密度稳定运行超过1000小时，标志着低铱负载高性能水电解技术向产业化迈出关键一步。

新兴的DOPM机制通过吸附在相邻金属位点对上的*O-O*自由基直接耦合形成O-O键。该路径能绕过高能量壁垒的*OOH中间体生成和晶格氧参与，从理论上同时突破了活性与稳定性难以兼得的传统瓶颈，为酸性OER提供了理想反应路径。受限于对双活性位点严格的几何结构与电子构型要求，已报道的DOPM型催化剂极为有限。多数研究仅停留在低电流密度下的实验室评估，缺乏在工业级电流密度下的实际工况验证，尤其需要应用于膜电极（MEA）并在真实PEM电解池中验证性能。最终目标是推动高性能催化剂在PEM电解系统中的实际应用部署，这被视为实现技术突破的关键。

Ultralow-Iridium Oxygen Evolution Catalyst with Dual-Site Oxide Pathway for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

许小勇教授团队聚焦光/电分解水制氢材料与技术研究，在PNAS、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表SCI论文百余篇，授权发明专利十多项。主持国家自然科学基金四项，获得全国商业联合会科学进步二等奖和全国产学研合作创新奖。担任全国光电材料与器件专业委员会委员、江苏省微纳光子学专业委员会委员、江苏省氢能源专业委员会委员。入选江苏省“双创”计划科技副总、江苏省“青蓝”工程学科带头人、扬州大学“高端”领军人才等。https://wlxy.yzu.edu.cn/info/1091/7509.htm