海南大学陈琦、中国地质大学（武汉）贺贝贝， Advanced Science：出溶构筑Ir@SrIrO3异质结构助力酸性全电解水

第一作者：赵凌

通讯作者：陈琦*，贺贝贝*

单位：海南大学，中国地质大学（武汉）

氢能是未来新能源系统的重要组成部分。利用可再生的太阳能和风能电解水，被认为是一种有前景的制氢技术。与成熟的碱性电解水不同，基于质子交换膜(PEM)技术的酸性电解水具有高能量效率、气体分离高效以及对环境杂质耐受性强等优势。然而，酸性电解水存在反应动力学缓慢以及催化剂腐蚀等挑战。目前，基于贵金属IrO₂(或RuO₂)和Pt/C被认为是OER和HER的最先进催化剂，但其稳定性和双功能性欠佳。因此，开发稳定高效的酸性OER和HER催化剂是目前有待解决的技术难题。

近日， 海南大学陈琦与中国地质大学（武汉）贺贝贝合作，在 Advanced Science上发表题为“Partial Exsolution Enables Superior Bifunctionality of Ir@SrIrO₃for Acidic Overall Water Splitting”的观点文章。该文章通过出溶策略设计制备了Ir@SrIrO₃异质结构，这种金属-钙钛矿异质结构显著增强了其OER和HER双功能电催化性能。其中，Ir@SrIrO₃-175电催化剂在0.5M H₂SO₄电解液OER和HER的过电位分别为229 mV和28 mV (@10 mA cm^-2)。采用Ir@SrIrO₃-175作为双功能电催化剂，酸性全电解水器件展现出高的电解电流和良好的长期稳定性。理论计算揭示了金属-钙钛矿异质结构相互作用降低了OER和HER的反应能垒，从而实现了优异的双功能电催化活性。

采用溶胶凝胶法制备SrIrO₃纳米片。通过在H₂气氛下退火，实现Ir金属在SrIrO₃钙钛矿表面的出溶。相比传统的自下而上合成方法，自上而下的出溶方法能够制得嵌入式异质结构，形成强的金属-载体相互作用。通过XRD、TEM等技术证实了Ir@SrIrO₃异质结构的存在。进一步通过XAS技术，我们分析了Ir@SrIrO₃异质结构中Ir-O键和Ir-Ir键，通过偏移分析了Ir@SrIrO₃可能的相互作用。

Ir@SrIrO₃-175电催化剂在0.5M H₂SO₄电解液OER和HER的过电位分别为229 mV和28 mV (@10 mA cm^-2)。以Ir@SrIrO₃-175||Ir@SrIrO₃-175为双功能电催化剂的电解槽在电流密度为10 mA cm^-2时电压仅为1.49 V，优于商业IrO₂||Pt/C电解槽（10 mA cm^-2@1.63V）。同时，Ir@SrIrO₃-175||Ir@SrIrO₃-175电解槽在连续100 小时的运行中没有观察到大幅的性能衰减。

理论计算揭示电子从Ir 金属转移到 SrIrO₃钙钛矿中，并造成界面电子结构重排，从而调节反应关键中间体的吸附行为。相比于单相的Ir和SrIrO₃，Ir@SrIrO₃异质结构具有较低的OER和HER反应能垒，说明异质结构具有较高的OER和HER本征催化活性。

Partial Exsolution Enables Superior Bifunctionality of Ir@SrIrO₃for Acidic Overall Water Splitting