破解析氧难题：IrO2/Nb2O5-x催化剂氧空位设计助力氢能生产

第一作者：武昀

通讯作者：刘光

单位：太原理工大学

随着全球化石燃料资源的日益枯竭和温室气体排放带来的环境问题，开发清洁、可再生的能源成为当前亟需解决的课题。氢能由于其无污染、能量密度高且可再生的特性，被视为未来替代传统化石燃料的理想能源之一。电解水制氢是一种环保且可持续的氢气生产方式，尤其是在质子交换膜（PEM）电解水技术中，由于其能够在酸性条件下工作、产生高纯度氢气和高电流密度，备受关注。然而，阳极析氧反应（OER）作为电解水中关键且耗能较高的半反应，严重影响了整体效率。

目前，IrO₂和RuO₂是应用于酸性OER的主流催化剂，但两者存在不同程度的缺陷。虽然RuO₂在OER中表现出较高的活性，但在高电位下易发生氧化，导致活性位点溶解和结构退化。相比之下，IrO₂拥有较好的稳定性，但其高昂的成本和稀缺性严重限制了大规模应用。因此，降低Ir用量同时提升其电催化性能，是实现低成本、高效率氢气生产的关键挑战。

强氧化物-载体相互作用（SOSI）被认为是优化贵金属催化剂使用、增强活性位点稳定性和提升电催化性能的重要途径。通过引入氧空位增强氧化物与贵金属的相互作用，不仅可以提高催化剂的活性和耐久性，还能有效降低贵金属的使用量，从而降低整体成本。因此，探索能够稳定工作于酸性条件的高效OER电催化剂，对于推动PEM水电解技术的商业化应用具有重要的科学和实际意义。

近日，太原理工大学刘光教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Modulating Carrier Oxygen Vacancies to Enhance Strong Oxide-Support Interaction in IrO₂/Nb₂O_5-x Catalysts for Promoting Acidic Oxygen Evolution Reaction”的研究论文。该研究通过等离子辅助球磨法在Nb₂O₅中引入氧空位，制备了含缺陷结构的Nb₂O_5-x载体，并通过水热法将IrO₂负载到这些富缺陷的表面上。通过这种方式，增强了IrO₂与Nb₂O_5-x之间的相互作用，形成了强氧化物-载体相互作用（SOSI），从而提升了催化剂的电催化性能和稳定性。

本研究采用等离子辅助方法在多种金属氧化物（包括Nb₂O_5-x、Ta₂O_5-x、ZrO_2-x和TiO_2-x）中引入氧空位。这一处理使得氧化物表面充满缺陷，能够为IrO₂的负载提供更强的结合位点。研究通过将IrO₂固定在这些富缺陷的氧化物表面上，实现了IrO₂催化剂与载体之间的强氧化物-载体相互作用（SOSI），增强了催化剂在酸性OER中的稳定性和活性。

研究结果表明，IrO₂/Nb₂O_5-x催化剂在酸性OER中具有良好的电催化性能，其在10 mA cm−2电流密度下的过电位低至225 mV，是目前最优的催化剂之一。此外，IrO₂/Nb₂O_5-x在多种电流密度（包括高达100 mA cm⁻²）下表现出超过200小时的优异稳定性。这种性能的提升主要归因于IrO₂与氧空位丰富的Nb₂O_5-x之间的强SOSI，使得IrO₂更加稳固地结合在载体表面，不易脱落或团聚，从而保持高效的电催化活性。

为了进一步揭示IrO₂与Nb₂O_5-x之间的相互作用机制，研究进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算结果表明，氧空位的引入显著增强了IrO₂与Nb₂O_5-x之间的结合强度，调节了Ir的d轨道中心能级。这种能级调控使Ir的电子结构更有利于OER反应，有助于降低OER的反应能垒，从而提升催化剂的电化学性能和稳定性。这种SOSI效应不仅增强了IrO₂的活性，还防止了其在高电位下的过度氧化，提高了催化剂的耐久性。

将IrO₂/Nb₂O_5-x用作PEM电解槽的阳极催化剂进行了实际测试，结果表明，该催化剂在1000 mA cm⁻²的高电流密度下能够稳定运行200小时。Ir负载量仅为0.2852 mg cm⁻²，显著低于传统催化剂的负载量要求。此外，IrO₂/Nb₂O_5-x在运行过程中表现出极低的能耗，仅为4.34 kWh Nm⁻³ H₂，大幅降低了氢气生产的能量需求。

本研究提供了一种有效的策略，通过引入氧空位和增强强氧化物-载体相互作用，显著提升Ir基催化剂的性能。这种策略可以进一步推广到其他氧化物载体（如Ta₂O₅、ZrO₂和TiO₂），为设计高效、稳定的OER电催化剂提供了新的思路。这不仅对学术研究具有重要意义，还为实现低成本、高效率的酸性OER催化剂的开发开辟了新的路径，有望推动清洁能源领域的发展和应用。

Modulating Carrier Oxygen Vacancies to Enhance Strong Oxide-Support Interaction in IrO₂/Nb₂O_5-x Catalysts for Promoting Acidic Oxygen Evolution Reaction. Adv. Funct. Mater. 2024, 2410193.

武昀，太原理工大学2021级博士研究生，研究方向为酸性电解水阳极析氧电催化材料的制备及其析氧性能的研究。以第一作者在Advanced Functional Materials，Chemical Engineering Journal等期刊发表学术论文4篇。