北京科技大学陈东方副教授、黑龙江大学王蕾研究员 CEJ：TiN锚定超细IrCo合金作为高效OER电催化剂用于质子交换膜电解槽- 大数跨境

首页

北京科技大学陈东方副教授、黑龙江大学王蕾研究员 CEJ：TiN锚定超细IrCo合金作为高效OER电催化剂用于质子交换膜电解槽

科学材料站

2025-06-04

导读：北京科技大学陈东方副教授、黑龙江大学王蕾研究员 CEJ：TiN锚定超细IrCo合金作为高效OER电催化剂用于质子交换膜电解槽

科学材料站

文章信息

具有强电子耦合效应的TiN锚定超细IrCo合金作为高效OER电催化剂用于质子交换膜电解槽

第一作者：杨远

通讯作者：陈东方*，王蕾*

单位：北京科技大学，黑龙江大学

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠正品保证科研必备！

科学材料站

研究背景

质子交换膜（PEM）电解槽耦合可再生能源是一种理想的绿氢制取方式。然而，PEM电解槽效率受限于其阳极氧析出（OER）反应较大的过电位，这迫切需要寻求高活性电催化剂以提高OER反应的动力学。当前，IrO₂或RuO₂是PEM电解槽常用的阳极催化剂，然而，贵金属高昂的价格以及稀缺的储量对PEM电解槽大规模应用造成了严重的制约。因此，开发兼具低成本，高活性和耐用性的OER催化剂仍然面临重大挑战。

科学材料站

文章简介

基于此，北京科技大学陈东方教授和黑龙江大学王蕾教授合作，在知名期刊Chemical engineer journal期刊发表题为“TiN anchored ultrafine IrCo alloy with strong electronic coupling effect as highly-efficient OER electrocatalyst for proton exchange membrane electrolyzer”的研究文章。该研究报道了一种负载于金属氮化钛（TiN）的IrCo合金催化剂，使其具有优异的酸性OER反应活性和耐久性。该电催化剂在0.5 M H₂SO₄下的过电位为246 mV@10 mA cm⁻², 质量活性可达0.84 A mg_Ir^-1，在10 mA cm^-2下稳定运行超过220 h。当作为阳极催化剂（0.2 mg_Ircm^-2）用于PEM电解槽时，仅需1.78 V即可达到1.0 A cm^-2。结构表征和理论计算（DFT）表明，TiN载体与IrCo合金之间存在强烈的电子耦合效应。这种独特的效应调控了IrCo@TiN的d带中心，优化了含氧中间体的吸附能，有效降低了OER催化反应在决速步骤中*O形成*OOH的能垒。本研究为设计高效稳定的低贵金属合金催化剂提供了新策略。

图1. IrCo@TiN催化剂OER反应机制。
图1. IrCo@TiN催化剂OER反应机制

科学材料站

本文要点

要点一：构建超细IrCo合金均匀分散于TiN的IrCo@TiN催化剂

通过浸渍和煅烧法成功制备了IrCo@TiN电催化剂。IrCo合金颗粒尺寸大约为2 nm。TiN载体提供了IrCo合金负载所需大的比表面积，使得IrCo合金可以均匀分散，充分与载体材料相接触。这种催化剂与载体紧密结合的结构有利于催化剂稳定存在和活性位点的保留，对促进催化反应过程中电荷转移和物质传输有着重要作用。XPS分析证实催化剂-载体之间存在强烈的相互作用。

图2. IrCo@TiN催化剂的结构和组成表征。(a) XRD图谱。(b) TEM图像。(c) HR-TEM图像。(d) EDX能谱。(e) IrCo@TiN EDS线扫描图。(f) IrCo@TiN和IrCo合金的BET测试。(g) IrCo@TiN HAADF-STEM图像和相应的EDS元素映射图像。

图3. 未支撑IrCo合金、TiN和IrCo@TIN的XPS 谱图。(a) Ir 4f, (b) Co 2p, (c) Ti 2p。

要点二：IrCo@TiN催化剂优异的OER活性

在酸性电解质（0.5 M H₂SO₄）中，IrCo@TiN表现出优异的催化活性，只需246 mV即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，并且可以在该电流密度下持续工作220 h以上，性能衰减可以忽略不计，优于大多数Ir/Ru基OER催化剂。在1.53 V下，IrCo@TiN的质量活性为0.84 A mg_Ir^-1，转换频率（TOF）为0.59 s^-1，优于未负载的IrCo合金、Ir@TiN和商用IrO₂催化剂。

图4. IrCo@TiN、未负载IrCo合金、Ir@TiN、商用IrO₂、商用RuO₂和TiN在0.5 M H₂SO₄溶液中对OER的电催化性能。(a) iR校正的LSV极化曲线。(b)塔菲尔斜率。(c)电流密度为10 mA cm⁻²时的过电位（左）和塔菲尔斜率（右）的比较。(d) EIS谱图。(e)计算的Cdl值。(f) 1.53 V vs. RHE下的质量活性。(g)质量活性和TOF与文献报道的比较。(h) 计时电位测试曲线。

要点三：OER活性增强机制研究

理论计算（DFT）表明，TiN载体与IrCo合金之间存在较强的电子耦合效应，调节了IrCo@TiN的d带中心，优化了含氧中间体的吸附能，从而有效降低了OER催化反应决速步骤中*O形成*OOH的能垒，从而加速了IrCo@TiN催化剂OER反应动力学。

图5. (a) IrCo@TiN的差分电荷密度图。(b) IrCo@TiN和未负载IrCo合金的d带中心分析比较。(c) 未负载IrCo合金和(d) IrCo@TiN的PDOS分析比较。(e) 未负载IrCo合金和IrCo@TiN催化剂OER反应自由能图。

要点四：PEM电解槽实际应用

以IrCo@TiN和商业化IrO₂分别作为阳极催化剂，商业化Pt/C作为阴极催化剂，采用Nafion 117作为质子交换膜构建了PEM电解槽。与商业化IrO2电解槽相比，IrCo@TiN电解槽具有更好的水电解制氢性能，在1.0 A cm⁻²下，电池电压为1.78 V，贵金属Ir载量仅为0.2 mg cm^-2。同时，IrCo@TiN电解槽具有较好的稳定性，在1.0 A cm^-2下可以稳定运行200小时。

图6. (a) PEM电解槽示意图。(b) PEM电解槽实物照片。(c)PEM电解槽极化曲线。(d) IrCo@TiN电解槽和先前报道的Ir基电解槽电压比较。(e) PEM电解槽的计时电位测试。(f) 商业化IrO₂和（g）IrCo@TiN PEM电解槽极化曲线的各种过电位贡献分析。(h)不同PEM电解槽过电位贡献比较。

科学材料站

文章链接

TiN anchored ultrafine IrCo alloy with strong electronic coupling effect as highly-efficient OER electrocatalyst for proton exchange membrane electrolyzers

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164061

科学材料站

通讯作者简介

陈东方副教授简介：北京科技大学副教授，清华大学博士、博士后。主要研究领域为电化学能源材料与器件、燃料电池与动力系统、电解水制氢与氢储能。入选中国科协青年人才托举工程、北京市科协青年人才托举工程。先后主持或参加国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目10余项。已发表SCI/EI论文50余篇，申请发明专利60余项，获得软件著作权4项，制定国家和团体标准10余项，研究成果支撑国家标准制定。担任多个国内外期刊客座编辑和审稿人、中国汽车工程学会高级会员、中国内燃机学会高级会员、中国化学会会员、中国可再生能源学会会员、全国燃料电池与液流电池标准化技术委员会观察员、河北省燃料电池标准化技术委员会委员。围绕氢能先进测试技术与装备研发，自主开发了系列精细化测试装备，填补了国内外空白。曾获2024年中国发明协会一等奖（1/6）、2021年中国发明协会一等奖（1/5）、2022年中国产学研合作促进会一等奖（3/10）、2021年中国检验检测学会技术创新应用发展成果奖（3/13）、2020年中国可再生能源学会二等奖（2/4）等。

王蕾研究员简介：三级研究员，国家级高层次青年人才，黑龙江大学研究员/博士生导师，省特贴获得者。曾获得黑龙江省优秀青年基金、黑龙江省英才计划、中国博士后科学基金第八批特别资助。现为黑龙江省生物质与矿物质高效化学转化工程技术研究中心主任。担任EcoMat和Chinese Chemical Letters期刊的青年编委。荣获“第25届黑龙江省青年五四奖章”、“第十六届黑龙江省青年科技奖”。主要从事能源器件中电极材料的构筑和原位机制方面的研究工作，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等国际期刊发表SCI论文170余篇。论文总引用14000余次，H因子62，有12篇论文入选ESI Top 1%，3篇入选热点论文。获黑龙江省科学技术发明一等奖1项；授权中国发明专利40余项，国际发明专利3项。主持国家自然科学基金项及省部级项目10余项，横向课题项目4项。