Small综述赏析：酸性条件下Ir和Ru基OER催化剂的结构演变和耐久性调控研究进展

第一作者（或者共同第一作者）：梓云海

通讯作者（或者共同通讯作者）：胡觉 教授

通讯单位：昆明理工大学冶金与能源工程学院

Doi: 10.1002/smll.202406657

目前，绿氢能源技术发展需求逐步攀升，OER催化剂在PEMWE水电解制氢行业发挥作用愈发关键。催化剂在PEMWE酸性、高温、高电压和电流密度等工业条件下长期耐久性成为与催化剂活性相当重要的指标。影响PEMWE耐久性的因素主要分为催化剂结构和应用相关操作条件，包括催化剂结构对反应条件的适应性、电解槽各个组件的设计、外加电压、反应电流密度等。催化剂中活性金属不可逆的浸出导致结构坍塌是普遍存在现象，对催化剂溶解过程及机理的深入研究是催化剂商业化进程继续向前推进绕不过去一步。热力学和动力学分析分别回答了催化剂溶解可能性及溶解速度，对高耐久性催化剂设计起到指导作用。贵金属基高耐久性结构演变规律和设计策略为水电解催化剂稳定性提升提供多种思路。

从热力学和动力学视角分析Ir和Ru基催化剂结构失活过程。进一步总结兼顾高活性和耐久性催化剂结构演变，包括普通结构向亚稳定结构转变、静态刚性结构向动态弹性结构转变。总结提升Ir和Ru基催化剂结构耐久性的调控策略。

对Ir和Ru基金属催化剂在金属溶解过程机理研究做了总结。无论何种催化剂在首次进入电解液中都会发生一定程度溶解，这是由于金属溶解吉布斯自由能为负所决定的。对于Ir基催化剂，IrⅣ能够较为稳定存在，在高的电位驱动下下，金属氧化成高价氧化物IrⅤ或者在低电位下还原成IrⅢ氧化物从而容易发生溶解。此外IrⅢ和IrⅤ之间的快速切换也将加速溶解过程。Ru基催化剂容易发生LOM机制下晶格氧参与反应而导致的溶解，主要以RuⅥ和RuⅧ高价氧化物形式发生溶解。

从提升催化剂稳定性出发，总结结构演变。具体来说，从八面体角共享和面共享同时存在结构向边共享和角共享亚稳态转变，边缘共享、以及边缘共享的开发式结构。促进垂直面共享面方向上的质子转移，增加催化活性和稳定性。

总结催化剂动态重构过程，将重构设计在催化剂结构中，提升催化剂耐久性。催化剂从增加结构刚性强度方式来增强稳定性向设计动态溶解-沉淀平衡离子通道的动态策略转变。加速溶解后离子在重构速率，确保催化剂保持弹性结构稳定。

总结除电子缓冲催化剂耐久性提升外其它调控方式。增加活性金属与氧之间的强电子相互作用，从而增加活性金属溶解过程需要消耗的溶解能，提升耐久性。设计双向结构应变、边缘共享等亚稳态价格有助于耐久性提升。催化剂表面涂覆薄层，阻断电解液与活性金属之间的直接接触，减少催化剂颗粒之间的团聚，进而提升催化剂稳定性。

从催化剂中金属离子溶解的热力学视角分析，当催化剂由于浓度差异较大而首次与电解质接触时，负的溶解吉布斯自由能表明催化剂在电解质溶液中的溶解是一个自发过程。溶解过程已经在OER反应的极化电位以下开始，随着电位的增加，金属以高价离子的形式溶解。参与反应的晶格氧损失速率和晶格OL由水分子中的氧原子的填充速率的相对大小决定催化剂的结构耐久性程度。如果水分子能实现晶格OL的快速填充OV，有利于催化剂获得相当的耐久性。催化剂稳定设计策略包括：电子缓冲策略、强电子耦合策略、应变调控、表面涂敷策略。

（5）通过实验室电解槽测试模拟工业条件的技术有待进一步统一和发展。为了更快地接近工业条件，材料测试和分析条件应接近工业条件，缩小催化材料测试系统与工业应用之间的间隙。催化剂合成过程涉及高温煅烧和一些有害化学物质。探索绿色节能合成的新方法，对于加速从传统能源向绿色氢能过渡具有重要意义。

胡觉教授团队长年招聘能源材料、理论计算、电化学冶金方向博士后，联系方式：hujue@kust.edu.cn。