第一作者：杨德仁
通讯作者：杨德仁，左守伟，谭爱东，刘建国
通讯单位：华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台/新型储能技术北京实验室/能源电力创新研究院
论文DOI：doi.org/10.1038/s41467-025-62665-2
基金：科技部“氢能技术”重点专项《光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程基础》（编号2021YFB4000100）等
华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台/新型储能技术北京实验室/能源电力创新研究院杨德仁/刘建国教授团队依托科技部“氢能技术”重点专项《光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程基础》（编号2021YFB4000100）的支持，在Nature Communications在线发表了题为“Single-faceted IrO2 monolayer enabling high-performing proton exchange membrane water electrolysis beyond 10,000h stability at 1.5 A cm-2”的研究论文。该研究开发出氨诱导晶面工程策略，成功合成出单一晶面IrO2催化剂。该晶体精准暴露了理论预测OER活性最优的(101)晶面，在三电极体系中仅需230 mV过电位即可达到10 mA cm-2电流密度，在质子交换膜(PEM)电解槽中也仅需1.70 V电压即可驱动2 A cm-2的高电流密度。尤为瞩目的是，该催化剂展现出超高的PEMWE稳定性：在恒定1.5 A cm-2电流下连续运行超过10,000小时（衰减率低至3.95 mV/千小时），并在0.2 mgIr cm-2低载量及波动工况下稳定运行超过1,000小时。这项研究不仅验证了IrO2的晶面依赖OER活性，更在工业级PEM电解槽中实现了兼具超高活性与超长寿命的单晶面单层催化剂，为开发高效耐用电解水制氢技术开辟了新道路。
商业及实验室合成的IrO2催化剂多为多晶面取向的金红石结构。理论预测其(101)晶面具有最低的氧析出反应(OER)能垒。华北电力大学杨德仁/刘建国团队成功开发出氨诱导晶面工程策略，合成了单一晶面取向IrO2单层晶体，精准暴露了其最高活性晶面。
图1 三种常见晶面的活性预测
图2 氨诱导合成机理
图3 单一晶面取向的单层结构
图4 稳态/波动工况下PEMWE的超长时间稳定性
本研究通过理论计算指导，开发出氨诱导晶面择优生长策略，成功合成单一(101)晶面取向的二维单层IrO2晶体。XRD和TEM表征证实其具有单层金红石结构并精准暴露高活性(101)晶面。该催化剂展现出卓越的OER活性：在三电极体系10 mA cm-2下仅需237 mV低过电位，在PEM电解槽2 A cm-2下实现1.70 V低电池电压。尤为突出的是其运行稳定性：在恒定1.5 A cm-2电流下稳定运行超过10,000小时（衰减速率低至3.95 μV/h），在0.2 mg cm-2超低载量下保持2,000小时以上稳定，并成功耐受模拟太阳能/风能波动电源超过1,000小时，部分性能满足美国能源部(DOE)对PEM电解槽的耐久性目标。这项工作提出的IrO2晶体的单一晶面工程，实现了兼具超高活性和在稳态/波动工况下均具超长寿命的单晶面IrO2新材料，为开发高效耐用的工业级PEM电解水制氢技术提供了新机会。
Yang, D., Zhang, C., Qin, Y.et al. Single-faceted IrO2 monolayer enabling high-performing proton exchange membrane water electrolysis beyond 10,000h stability at 1.5 A cm-2. Nat Commun 16, 7236 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62665-2
杨德仁副教授，2020年毕业于清华大学化学系获理学博士学位，师从王训教授。2020年7月-2022年7月在清华大学化学系任助理研究员。2022年8月经人才引进入职华北电力大学。主要研究方向为电催化剂的精准设计合成，氢能和碳储科学等。近年来已在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.等国际顶级学术期刊上发表SCI论文22篇。主持省部级人才项目、国家自然科学基金、博士后面上基金和华北电力大学人才引进项目等，作为骨干参与了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家重点研发计划“氢能技术”重点专项、国家自然科学基金重点项目和国网上海市电力公司横向项目等。
刘建国，华北电力大学能源电力二级教授，博导，氢能科学与工程学科负责人，氢能科学与工程教研室主任，氢能技术创新中心主任。国家“万人计划”获得者，科技部科技创新领军人才，新型储能技术北京实验室常务副主任，中国工程院咨询中心氢能特聘专家，中国内燃机学会燃料电池分会副主任委员，河北省燃料电池标委会主任委员。
长期从事氢能领域关键技术和战略研究，承担了国家十四五“氢能技术”重点专项“波动性电源制氢”项目，以及国家自然科学基金、国家能源局、教育部联合基金、江苏省杰出青年基金以及企业委托等氢能项目30余项，其中碱性电解水隔膜、PEM电解钛毡、燃料电池Pt级催化剂、PEM电解堆等技术实现了产业化或者技术转让。
发表SCI论文170余篇，引用超过8300次，H因子49。授权中国发明专利30余项，美国专利1项，主持和参与制定国家标准10余项，国家自然科学二等奖获得者。
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