程俊芳副教授、章俊良教授，Small综述：酸性介质中铱基OER电催化剂在平衡活性、耐久性和低铱含量方面的最新进展

第一作者：王慧敏

通讯作者：程俊芳*，章俊良*

单位：上海交通大学

质子交换膜（PEM）电解技术面临着高过电位和酸性环境所带来的挑战，严重阻碍了开发用于析氧反应（OER）的高活性、耐久性电催化剂的进程。由于铱基纳米材料在酸性条件下具有优异的本征活性和稳定性，因此被视为PEM制氢领域极具前景的OER催化剂。然而，高昂的成本和有限的可用性严重制约了其广泛应用。鉴于此，大量研究应运而生，旨在降低铱含量，同时保持催化剂的高活性和耐久性。铱基催化剂的OER机制也备受关注。该综述从催化剂形态、杂质原子掺杂、基底引入和新型结构开发四个角度，总结了近期在平衡铱基催化剂的活性、耐久性和低铱含量方面的最新进展。同时，还探讨了近期关于铱基OER催化剂的机理研究，总结了阐明铱基OER机制的理论和研究方法。最后，提出了铱基OER催化剂面临的挑战和未来发展方向。

基于此，来自上海交通大学的程俊芳副教授与章俊良教授在国际期刊Small上发表题为“Recent Progress in Balancing the Activity, Durability and Low Ir Content for Ir-based Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysts in Acidic Media”的综述文章。该综述文章总结了目前铱基催化剂的OER机理，从四个方面（催化剂形态、杂原子掺杂、基底引入和新型结构开发）分析了铱基催化剂在平衡其活性、耐久性和低铱含量方面的进展。

铱基催化剂表面的OER机制是一个涉及多步骤、电子转移和表面氧化物变化的复杂过程。深入了解这一机制可为催化剂的合理设计与优化提供指导，进而提升OER的效率和稳定性。目前，广受研究和认可的OER机制主要有两种：吸附物演化机制（AEM）和晶格氧演化机制（LOM）。铱基催化剂在OER过程中遵循AEM还是LOM机制，通常取决于催化剂和反应环境，且这两种机制往往并存。同时，近年来也有对一些新型OER机制的研究。此外，考虑到催化剂的稳定性，了解溶解机制也至关重要，因为铱是铱基催化剂的主要活性中心。除了AEM和LOM机制，COM、OPM和ORCM等也逐渐引起关注。

要点二：活性、耐久性和低铱含量之间的平衡

电催化剂的表面结构和形态与暴露的活性位点、电子构型和传质效率密切相关，从而进一步影响电化学活性。增加比表面积和孔隙率有助于活性位点的暴露和加速电子传输。因此，优化形态以最大化固有活性位点对于实现低Ir含量，同时确保最佳活性和耐久性至关重要。这通常需要一种协同方法，将形态控制与其他策略结合起来，包括杂原子掺杂、基底工程和开发新的晶体结构。本文还将近年来的高熵Ir基催化材料、单原子Ir载体型催化剂进行了梳理。

图1 形貌对铱基催化剂OER性能的影响

图2 引入杂质原子改善铱基催化剂OER性能

图3 引入基底改善铱基催化剂OER性能

图4 开发新型晶型结构改善铱基催化剂OER性能

要点三：探索OER机理的策略和方法

高效的OER催化剂显著提高了电化学能量转换效率，这就需要对其性能进行系统的分析和优化。催化行为受材料成分、电子结构、表面性质和几何构型的影响。使用各种分析技术(如原位分析、DFT计算或其他常规表征)对这些因素进行精确分析和表征，对于阐明催化机理和优化催化剂性能至关重要。本文还详细介绍了验证LOM机制的三种方法，为机理解释提供了系统论证方案。

图5 非原位技术协助OER机理研究

图6 原位技术协助OER机理研究

图7 DFT计算协助OER机理研究

要点四：前瞻

Ir基OER催化剂在酸性电催化中至关重要，对清洁能源循环系统贡献显著。目前，其材料设计与应用取得诸多进展，但仍面临满足工业需求、降低铱载量和克服动力学障碍等挑战。未来研究可关注以下方面：首先，需实现催化剂结构的可控合成，通过调整尺寸和结构来改变表面性质和电子构型，增加活性位点数量和原子利用率。同时，开发具有创新3D结构的低成本铱基催化剂，以提高物质传输效率，加速反应动力学。其次，优化合成方法，解决低产量、高成本和复杂合成路线等问题，实现高效、准确的合成，并注重绿色可持续。此外，需深入理解结构与性能之间的内在联系，通过增强表征方法，特别是原位技术，观察反应动力学，阐明催化机制。同时，开发在高电流密度下兼具高活性和稳定性的铱基催化剂，并建立严格标准来定量评估催化剂稳定性。最后，鉴于铱基催化剂的高成本，寻找替代品成为当务之急，尽管非贵金属催化剂如钙钛矿型催化剂已有广泛研究，但在工业应用中的性能仍需提升，特别是在长期稳定性和结构稳定性方面。因此，未来仍需进一步研究适用于商业应用的非贵金属催化剂。

Recent Progress in Balancing the Activity, Durability and Low Ir Content for Ir-based Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysts in Acidic Media

程俊芳副教授简介：2012年获得华中科技大学材料学学士学位，2017年获得华中科技大学材料科学博士学位，于2017.6-2021.3在日本九州大学担任博士后研究员，随后2021.4-2021.11在早稻田大学担任讲师，并于2021年12月加入上海交通大学巴黎卓越工程师学院担任副教授，获得上海市海外高层次人才称号，主持上海市自然科学基金面上项目和上海交通大学十四五规划科研启动项目，作为第一指导教师指导学生获得2024大学生创新创业大赛主赛道国际赛区金奖。她的研究领域主要为燃料电池/电解水制氢催化剂、催化材料的多尺度调控、金属空气电池和新型解耦水分解制氢系统研究等，在相关领域以第一/通讯作者发表SCI论文20余篇，获多项国际专利。

章俊良教授简介：上海交通大学“致远”讲席教授，机械与动力工程学院燃料电池研究所所长、致远学院常务副院长，上海市“东方学者”特聘教授。曾在美国Brookhaven国家实验室、通用汽车公司、上海交大从事燃料电池研发二十余年，主要从事界面电化学、电催化、纳米材料、燃料电池、电解水、电化学能源系统中的传热传质研究。主持项目包括科技部支撑计划、重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、教育部科研重点项目、上海市新能源汽车重大专项、上汽集团大功率燃料电池电堆专项以及上汽燃料电池基金项目等。研究成果发表在Science、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊共计180余篇，累计他引1.5万余次，撰写中英文专著两部。申请美国及国际专利20余项，中国专利50余项。担任Fuel Cells、《物理化学学报》、Frontiers in Energy期刊编委，上海市电化学能源器件工程技术研究中心副主任，中国燃料电池汽车产业联盟理事。获2020年上海市技术发明奖一等奖。