长春应化所邢巍团队Chem：反向掺杂策略实现低铱高效水电解

第一作者：王意波

通讯作者：邢巍*，葛君杰*，王颖*

单位：长春应化所，中国科学技术大学

质子交换膜水电解（PEMWE）技术耦合可再生能源技术为绿氢的廉价生产提供了一种理想的解决方案。但是，阳极缓慢的氧析出反应（OER）严重阻碍了PEMWE的商业化。目前，仅仅铱基催化剂可以兼具适宜的活性和稳定性，但是Ir高昂的成本和较低的自然丰度要求我们必须采取合适的策略开发高活性、更加经济高效且耐用的电催化剂以提高Ir的本征催化活性和利用率。本篇工作通过一种反向掺杂的策略构建了一种原子级Ti掺杂于IrO_x/Ir晶粒表面的模型催化剂，并研究了其中的Ir-O-Ti局域结构对酸性析氧的促进效果和促进机制。本文为原子级界面的构筑和提升位点活性和稳定性提供了一种新思路。

近日，来自长春应化所的邢巍团队，在国际知名期刊Chem上发表题为“Inverse doping IrO_x/Ti with weakened Ir-O interaction toward stable and efficient acidic oxygen evolution”的研究性文章。该文章通过一种反向掺杂的策略实现了低铱高效水电解。

在Ir-Ti氧化物中，二者的互溶度很低，并且许多Ti盐容易发生水解，形成分相的TiO₂，难以构建Ir-O-Ti局域结构。该文章Ti的原子级分散来源于一个意想不到的发现。起初TiB₂用作载体以负载Ir颗粒，但由于TiB₂的快速溶解Ir颗粒脱落并组装成73 nm的球，而且随着反应的进行，Ti与表面的Ir交换掺入IrO_x/Ir的表面，实现Ir-O-Ti局域结构的构建。

Ti-IrO_x/Ir催化剂表现出显著提升的OER性能，在10 mA cm−2电流密度下的过电位仅为254 mV。并且表现出较高的质量活性和较低的Tafel斜率。100 h的恒流测试中电势仅衰减36 mV，优于IrO_x/Ir催化剂（70 mV）。并且具有优异的稳定性，稳定数提高一个数量级。

多种表征和DFT计算表明，在这种局域结构中，Ti位点通过桥O对邻近的Ir位点产生给电子作用，削弱了Ir-O相互作用，促进了Ir位点的吸附析出机理，因而增强活性；同时Ti通过抑制Ir物种的过度氧化和晶格氧机理（LOM）的发生减少了Ir的溶解，因而催化剂具有优异的稳定性。

膜电极测试表明反向掺杂策略制备的Ti-IrO_x/Ir催化剂在Ir载量低至0.45 mgIr cm^-2时仍表现出优异的活性（1.774@2A cm^-2），并可稳定运行220 h。

Inverse doping IrO_x/Ti with weakened Ir-O interaction toward stable and efficient acidic oxygen evolution

邢巍，理学博士，中国科学院长春应用化学研究所，研究员，博士生导师，二级教授，先进化学电源实验室主任，吉林省低碳化学电源重点实验室主任,吉林省化学电源工程实验室主任。中国化学会电化学专业委员会副主任委员、国际电化学会会员，《电化学》编委。研究兴趣为可再生资源制备氢能与燃料电池，包括聚合物电解质（SPE）能源系统，质子交换膜燃料电池(PEMFC，含直接醇类燃料电池，DMFC)、小分子催化分解制氢、闲置风电电解水制氢技术，先后主持过数十项国家及省部级科研项目，如：“十二五”863主题项目“先进燃料电池发电技术”首席专家；科技部对俄专项“直接甲醇燃料电池关键技术”负责人；科学院纳米先导项目中“水电解低铂催化剂” 课题负责人；主持基金委重点基金项目“直接甲醇燃料电池基础研究”（2004-2008）、“多组分协同团簇基新型PEMFC催化剂研究”（2017-2021）及多项面上基金；吉林省组织部重大科技项目研发人才团队带头人等。多次参加中组部、科技部、基金委等国家级项目的会评工作。作为通讯作者已在包括Nature Commun.，Angew. Chem. Int. Edit.，Adv. Mater.，Energy. Environ. Sci., Nano Energy, Chem.Commun., 等发表SCI论文>300篇，他引>8000次，多篇被选为高被引论文，专利50余项。 

葛君杰，1984年生，教授, 博士生导师，教育部青年长江学者，英国皇家化学会会士。2010年于长春应化所取得博士学位，2010-2015年先后于美国南卡莱罗纳大学和夏威夷自然能源研究所从事博士后研究，2015年于长春应化所获批中科院创新人才计划, 2022年6月入职中科大工作。近年来，在氢能与燃料电池研究领域，聚焦低/非贵金属催化研究，创制了酸体系制氢的催化局域结构共价键调控新策略；发现了酸体系M-N-C氧还原系列活性中心新结构并揭示了构效规律；首创了燃料电池发电过程中选择性消除CO的抗毒新路径，工作以通讯作者发表在Joule, PNAS, JACS，Nat.Commun.，Angew.Chem.，Sci.Bull等。 

王颖，1979年12月生于辽宁，博士，现为中国科学院长春应用化学研究所副研究员。主要研究方向为功能材料计算机辅助设计。2007年7月博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2007至2012年于日本名古屋大学理学部和高等研究院从事博士后研究。曾获得吉林省自然科学学术成果奖三等奖。